波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用(徐强-万水)

波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用徐强万水序波形钢腹板PC组合箱梁是用波折形薄钢板代替箱梁混凝土腹板形成的一种新型钢-混组合结构，它可以大幅度减轻箱梁的自重，减少下部结构的工程量，从而降低造价，实现桥梁的轻型化，彻底解决了传统预应力混凝土箱梁腹板的开裂问题。2002年河南省交通厅立项，由河南省交通规划勘察设计院有限责任公司、东南大学和河南省光山县公路局等单位联合进行了波形钢腹板PC组合箱梁桥结构分析、设计与试验的研究，为这种结构在我国桥梁工程中的推广应用，提供了有价值的研究成果。2004年设计的我国第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥—泼河大桥已于2005年7月建成通车。本书是对波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计与应用的总结。本书共分6章。第2章和第3章讨论了波形钢腹板PC组合箱梁的力学特性，第4章总结了一些抗剪连接件的计算方法，第5章分析了波形钢板的剪切屈曲特性，给出了它的剪切屈曲界限图，第6章总结了泼河大桥的设计与施工。感谢东南大学波形钢腹板PC组合箱梁桥力学特性研究课题组的支持。本书中的第2章和第3章中，引用了吴文清博士和李宏江博士的部分研究资料，对此表示感谢。感谢河南省交通规划勘察设计院有限责任公司的常兴文、李明元、王丽、汤意、戴本良、陈金旺等教授级高工。感谢河南省光山县公路局对本课题的研究所提供的支持。衷心地感谢所有在课题研究和本书写作中给与过大力支持的专家和朋友们。由于作者水平有限，对书中存在的不足之处，敬请读者批评指正。作者2009.7波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用第一章1-1第1章引言波形钢腹板PC组合箱梁是一种经济、高效、施工简便的新型桥梁形式。自从1988年ACSI协会将波形钢腹板PC组合箱梁作为桥梁结构进行介绍后，世界各国均围绕这一新的组合结构进行研究。波形钢腹板箱梁恰当地将钢、混凝土两种不同材料结合起来，提高了结构稳定性、强度及材料的使用效率，其优越性具体表现在:(1)用波形钢板作腹板，使得箱梁自重降低。(2)由于波形钢腹板纵向呈折叠状，因而其纵向刚度较低，这样它对上、下混凝土板的徐变、干燥收缩变形不起约束作用，避免了预加力向钢腹板的转移，提高了预应力效率，减少了预应力钢材的用量。(3)波形钢板具有较高的抗剪屈曲能力，因而可以做得很薄，且无需纵横向加劲。(4)波形钢腹板使桥梁具有较强的美感，易与周围的环境相协调，是山区、风景区较好的桥型选择。(5)采用体外预应力筋方式，可免除在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工序，缩短了工期，使施工更加方便，利用传统的施工设备和方法就能完成桥梁的架设。(6)体外预应力筋易于替换或增加，便于桥梁的维修与补强。1.1波形钢腹板PC组合箱梁基本概念及特点波形钢腹板PC组合箱梁用波形钢板置换预应力混凝土箱梁的混凝土腹板，使箱梁成为由钢筋混凝土和波形钢腹板组成的组合结构。其昀显著的特点是用厚10~20mm左右的波折形钢板取代厚300～800mm的混凝土腹板，另一特点是体外预应力钢束的大量使用。波形钢腹板在纵向的折皱效应形成了其区别于普通预应力混凝土箱梁及平钢腹板PC组合箱梁的独有特点。（a）预应力混凝土箱梁（b）平钢腹板组合箱梁（c）波形钢腹板组合箱梁图1.1箱梁构造示意图由于用波形钢板代替了混凝土腹板，大幅度减轻了箱梁的自重，减少了下部结构的工程量，降低了造价。与同跨度的预应力混凝土桥相比，波形钢腹板PC组合箱梁桥可节约成本约10~20%。当然，经济性与桥型及跨径有关。由于波形钢腹板PC组合箱梁相对较轻，采用节段悬臂浇注施工方法时可以增加每个施工节段的长度，从而缩短工期。波形钢腹板构造简单、安装快捷，减少了腹板立模及混凝土浇注的工作量，方便了施工。从结构上看，波形钢腹板PC组合箱梁结构受力明确，在轴向力和弯矩作用下，腹板上的轴向应力基本为零，轴向力基本上由混凝土顶底板承担。波形钢腹板对轴向力几乎无抵抗作用，避免了由于腹板的约束作用所造成的预应力效率的降低，能更有效地对混凝土顶、底板施加预应力。由于波形钢腹板不约束箱梁混凝土顶、底板由于收缩徐变产生的变形，避免了箱梁截面的预应力向钢腹板转移。由于用钢板作为腹板，有效地解决了传统混凝土腹板箱梁的腹板开裂问题，提高了耐久性。1.2波形钢腹板PC组合箱梁桥发展概况自从20世纪30年代PC梁出现以来，现代桥梁技术获得了长足的发展，使桥梁的跨越能力达到了一个新的水平。大跨桥梁的恒载占了总荷载的很大比例，桥梁的自重成了约束其跨越能力的瓶颈。法国根据建设Bubiyan桁架式组合桥的经验，于80年代末期研制成功用钢板替换混凝土箱梁的腹板，称之为预应力钢—混凝土组合箱梁，并建成了Ferte-saint-Aubin桥。在该桥设计中发现，波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用第一章1-2平钢腹板对箱梁顶、底混凝土板在桥轴方向的变形产生较大的约束，从而造成混凝土截面的预应力效率降低。为解决平钢腹板箱梁这一缺点，1975年法国的CB（CampenonBernard）公司提出了用波形钢板代替平面钢板的设想，将原来的平钢板改为沿桥轴方向可伸缩的波形钢板，由此而形成了一种新型的、更合理的组合箱梁结构—波形钢腹板PC组合箱梁。1.2.1国外发展情况世界上对波形钢腹板PC组合箱梁结构力学特性的研究主要集中在抗弯、抗扭、抗剪和结构稳定性几方面。由于钢腹板主要承受剪力，腹板的剪切稳定性得到重点研究。自从二十世纪80年代末期法国建造了世界上第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥—Cognac桥（图1.2.a），此后又建成了Maup’re桥（图1.2.b）等，一些国家相继建造了不同数量的这种类型的桥梁，如德国的Altwipfergrund桥，挪威的Tronko桥和委内瑞拉的Caracas桥等。日本对钢腹板波折的形状、高度、间距、板厚、腹板倾斜角度、横隔板的间距、腹板的屈曲稳定和整体稳定性等进行了系统的研究，在箱梁的抗弯、抗扭和抗剪连接件的设计等方面提出了一些基本概念和计算公式，于1993年建造了日本国内第一座波形钢腹板PC简支箱梁桥—新开桥[1,2]。（a）法国Cognac桥（b）法国Maup’re桥（c）日本银山御幸桥（d）日本小犬丸川桥（e）日本矢作川斜拉桥（f）日本鬼怒川桥图图1.2国外已建波形钢腹板桥梁1998年日本开展了波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计理论的研究，在结构的理论分析和模型波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用第一章1-3试验的基础上，通过总结新开桥、松木７号桥[3-5]和本谷桥[6-10]的设计与施工经验，编写了设计指南[11]，而后相继建成了5跨连续梁桥—银山御幸桥（图1.2.c）、6跨连续刚构桥—小犬丸川桥（图1.2.d）、4跨斜拉桥—矢作川斜拉桥（图1.2.e）、16跨连续梁桥—鬼怒川桥（图1.2.f）等，极大地促进了波形钢腹板PC组合箱梁桥在日本桥梁工程中的推广与应用，并以这种结构的连续梁和连续刚构桥型为主[12-16]，成为世界上修建此类桥梁昀多的国家，日本的波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计理论也在工程实践中得到发展和完善[17,18]。目前，波形钢腹板PC组合箱梁桥的跨径在不断增大，日本的2002年建成的4跨连续刚构桥-兴津川桥的跨径达到142米，2004年建成的斜拉桥-矢作川桥[19]跨径达235米。这种桥梁结构的截面形式也变得多样化，韩国的14跨连续梁桥-Iisun桥[20]和日本的部分斜拉桥-栗东桥采用了一箱三室的截面形式，矢作川桥采用了一箱五室的截面形式。目前，日本建成和在建的波形钢腹板PC组合箱梁桥已近200座。1.2.2国内发展情况我国也开展了波形钢腹板PC组合箱梁力学特性研究和桥梁的设计与建造工作。河南省交通规划勘察设计院[21-23]、东南大学[24-26]、同济大学[27,28]、长安大学[29]、西南交通大学[30,31]、重庆交通学院[32,33]、哈尔滨工业大学[34-36]、中交公路规划设计院[37]、福州大学[38-40]、中铁大桥局集团[41-43]和重庆交通科研设计院[44,45]等单位对这种箱梁结构的抗弯、抗剪、扭转与畸变、波形钢腹板参数设计、屈曲特性、抗剪连接件分析、桥面板的有效分布宽度、剪力滞效应、结构动力学特性和桥梁设计与建造等专题做过研究，取得了重要的进展。国内已建成的该类桥梁有：江苏淮安长征人行桥、河南光山泼河大桥、重庆永川的大堰河桥、青海三道河桥和宁波甬新河桥、山东东营银座人行桥等。图1.3淮安长征人行桥淮安长征人行桥（18.5+30+18.5m）由东南大学设计，于2005年1月竣工，是我国建成的第一座波形钢腹板PC组合箱梁人行桥(图1.3)。长征桥采用体外预应力配束，支架法施工。长征桥的钢腹板PC组合箱梁采用等截面斜腹板单箱单室断面，顶板宽7m，底板宽2.5m，梁高1.6m。采用支架现浇施工。2005年7月，我国第一座装配式波形钢腹板PC连续箱梁公路桥-光山泼河桥（4×30.0m）建成通车（图1.4）。图1.4光山泼河公路桥2006年8月，两座由东南大学设计的变截面波形钢腹板PC组合箱梁人行桥—东营银座B桥和C桥（38.0m）开工建设，于2007年5月建成（图1.5、图1.6）。波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用第一章1-4图1.5东营银座人行桥效果图图1.6建成的东营银座人行桥2009年在建的英峪沟2号跨线桥在连霍国道主干线郑州至洛阳高速公路上，为变截面波形钢腹板PC连续箱梁桥，它由河南省交通规划勘察设计院有限责任公司设计。英峪沟2号桥（图1.7）全长为115m，跨径布置为25+65+25m，中跨65m为波形钢腹板组合箱梁，边跨25m腹板为钢筋混凝土的箱梁。桥面净宽7m，设计荷载为公路-II级，全桥上部结构采用满堂支架现浇施工。图1.7英峪沟2号桥（效果图）2009年在建的波形钢腹板PC组合箱梁桥卫河大桥在大广高速豫冀界至南乐段，由河南省交通规划勘察设计院有限责任公司设计。卫河大桥是一座等截面单箱三室波形钢腹板PC连续箱梁桥，主桥为47+52+47m现浇预应力混凝土波形钢腹板组合箱梁（图1.8），双向6车道，桥面净宽2×15.25m，设计速度120公里／小时，设计荷载为公路I级。图1.8卫河大桥（效果图）图1.9鄄城黄河大桥（效果图）2007年开始建设的山东鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大桥梁（图1.9），地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，它是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程。鄄城黄河公路大桥由河南海威工程咨询有限公司设计，主桥采用上、下行分离式桥梁，为70＋11×120＋70m变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁桥，总长为1460m。鄄城大桥也是我国第一座采用悬臂施工方法进行施工的波形钢腹板PC组合箱梁桥（图1.10）。波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用第一章1-5图1.10施工中的鄄城桥图1.11新密桥（效果图）由河南省交通规划勘察设计院有限责任公司设计的我国第一座无背索波形钢腹板PC组合结构斜拉桥—溱水路桥（图1.11）于2009年开始建设。溱水路桥主桥跨径布置为30+70+30m，采用墩塔梁固结体系，独塔双索面无背索结构。它采用了分离式单箱双室波形钢腹板整体箱梁，宽50m，标准截面梁高2.5m，墩塔固结部分为钢筋混凝土箱梁截面，梁高由2.5m渐变为3.5m。对应拉索锚固位置设横梁，间距为6m，横梁底与主梁底齐平。波形钢腹板的波长1600mm，波高220mm，直板段水平长度为430mm，斜板段水平长度为370mm，水平折叠角度为30.6°，内径R为200mm，钢板厚度12mm，波形钢腹板及翼缘板等与大气环境接触的内外表面均进行了防腐涂装。波形钢腹板与顶板采用Twin-PBL连接件，开孔钢板开孔直径60mm，纵桥向间距150mm，贯穿钢筋采用直径为22mm的钢筋。波形钢腹板与底板用焊钉抗剪连接件连接，采用M22的普通焊钉。采用双索面，梁上索距6m，塔上索距6.32m。门式斜塔为预应力混凝土矩形截面，横桥向宽4m，顺桥向宽5m，桥面以上塔高54m，桥面以上塔高与主跨的高跨比H/L=1/1.3。主墩采用造型优美的花瓶墩。波形钢腹板PC组合箱梁作为一种新型的钢－混凝