李華強

(河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司 鄭州市 450052)

0 引言

長期以來，我國公路中、小型橋梁主導橋型為預應力混凝土橋，由于設計理念、施工質量控制和車輛超載等原因，預應力混凝土梁橋普遍存在混凝土腹板開裂、梁體混凝土開裂導致跨中撓度增大等病害，給橋梁安全運營帶來隱患。由于混凝土的大量使用，對自然環(huán)境也造成破壞。

鋼—混組合結構橋梁可以發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的各自優(yōu)勢，通過工廠化制造，標準化施工，因而具有結構受力的合理性與工程質量的可靠性。據(jù)法國1990～1993年所建橋梁上部結構的統(tǒng)計，公路組合結構橋梁在跨徑30～110m范圍內最有競爭力，在60～80m跨徑范圍內占有率達85%，有明顯優(yōu)勢；在工程造價上，40～80m跨徑范圍內，鋼-混組合梁比混凝土梁更經(jīng)濟。

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋(以下簡稱波形鋼腹板PC箱梁橋)，其構造見圖1，作為一種新型的鋼—混組合結構橋梁，采用10～30mm厚的波形鋼板取代30～80cm厚的混凝土腹板。與傳統(tǒng)混凝土箱梁相比，波形鋼腹板PC箱梁自重減輕15%～25%[1]。波形鋼腹板在縱向由于褶皺效應，其縱向抗拉壓剛度小，波形鋼腹板不承受軸向力，軸向力由混凝土頂板、底板承擔，波形鋼腹板承擔剪力。

波形鋼腹板PC箱梁橋憑借其優(yōu)越的力學性能，近年來在我國也得到推廣應用，目前已有20多座波形鋼腹板PC箱梁橋建成通車。由于主要采用支架現(xiàn)澆、懸臂現(xiàn)澆等方法施工，沒有做到工廠化、標準化和無支架施工，制約了波形鋼腹板PC箱梁橋推廣應用。

圖1 波形鋼腹板PC箱梁

1 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁設計構思

為實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的目的，我們研發(fā)出一種無支架施工的波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁，并取得國家發(fā)明專利授權(ZL 2011 1 0085548.7)。該方法采用了將波形鋼腹板PC大截面箱梁先“化整為零”，再“化零為整”施工的設計構思。即：先預制波形鋼腹板PC工字梁，再橫向拼裝組合形成箱梁。

施工流程：工廠化預制波形鋼腹板PC工字梁→安裝預制波形鋼腹板PC工字梁→澆筑工字梁頂板、底板橫向濕接縫合成箱梁→澆筑各跨間墩頂橫梁→張拉墩頂負彎矩鋼束或體外索形成連續(xù)箱梁，詳見圖2。

30～50m中等跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁由于采用無支架施工，和30～50m裝配式預應力混凝土箱梁、T梁一樣，能夠標準化、工廠化、規(guī)?；┕?，顯著提高了波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁的施工質量、施工進度和經(jīng)濟性。

圖2 無支架橫行拼裝波形鋼腹板PC組合箱梁施工流程圖

2 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁結構設計

2.1 截面設計

以單幅橋寬12.75m為例介紹波形鋼腹板PC組合箱梁。箱梁標準斷面圖見圖3。

預制工字梁按照30m、40m、50m三種常用跨徑設計?？鐝叫∮?0m，梁高較矮，腹板所占比例較小，不是波形鋼腹板PC組合箱梁橋的經(jīng)濟跨徑。目前我國公路單車道寬度按3.75m設計，公路運輸最大重量小于150t，利用多輪運輸是比較常見的。為體現(xiàn)工廠化預制、批量生產(chǎn)且方便快速施工的理念，標準化設計以30m、40m、50m三種跨徑為主。3種跨徑預制工字梁梁高分別為1.85m、2.5m、3m，中梁最大寬度均為1.5m，邊梁最大寬度為2.8m。邊、中梁之間頂板濕接縫寬度為1.7m，底板濕接縫寬度為2.08m，中梁兩箱之間頂板濕接縫寬度為1.65m。工字梁外形尺寸均在我國公路運輸限界范圍內，在凈空不受影響的地區(qū)，可適當增大梁高。如波形鋼腹板高度增加1.2倍，在混凝土數(shù)量基本不增加的情況下，箱梁截面抗彎強度可提高近2倍，技術和經(jīng)濟優(yōu)勢更加突出。

圖3 橫向拼裝波形鋼腹板PC組合箱梁斷面布置圖

2.2 波形鋼腹板設計

波形鋼腹板的形狀尺寸是按照剪切屈服前不發(fā)生剪切屈曲、極限荷載作用時不發(fā)生剪切屈曲兩個條件設計的，同時考慮橋梁橫向剛度等綜合因素，30m、40m、50m波形鋼腹板均采用1200型，板厚采用10mm，見圖4。

圖4 波形鋼腹板構造圖

2.3 橫梁、橫隔板設計

工字梁的端橫梁不僅能起到橫向擴散荷載的作用，還起到保證結構穩(wěn)定及傳遞預應力荷載的作用。30m跨徑端橫梁厚度設計為0.8m，40m、50m跨徑為1.0m。中橫梁厚度需滿足設置臨時支座要求，預制段厚度均為0.6m。30m跨徑現(xiàn)澆段為0.5m，40m、50m跨徑為0.8m。共設置3道橫隔板，每道橫隔板厚20cm。橫隔板增加了工字梁施工中的抗失穩(wěn)能力和抗扭剛度。配置體外索時，箱梁橫隔板同時起到轉向塊的作用。

2.4 預應力體系

波形鋼腹板PC工字梁可采用先張法和后張法兩種預應力體系。各跨簡支波形鋼腹板PC組合箱梁墩頂中橫梁澆筑完成后，墩頂負彎矩可采用墩頂負彎矩鋼束或張拉體外索的方法形成連續(xù)箱梁。墩頂鋼束布置見圖5、圖6。

圖5 體外預應力和墩頂負彎矩立面布置圖

圖6 體外預應力和墩頂負彎矩斷面布置圖

在實際設計中，30m、40m梁墩頂負彎矩相對較小，經(jīng)計算，只需設置墩頂負彎矩束就能滿足受力要求。標準化設計中30m、40m采用先張預制工字梁加墩頂負彎矩束的方式，經(jīng)濟性較優(yōu)。墩頂負彎矩束采用5Φs15.2，采用單端張拉，錨具采用BM15-5。

50m梁墩頂負彎矩加大，且二期鋪裝及濕接縫荷載產(chǎn)生的彎矩，先張預應力難以滿足要求，從而采用體外索的方式。由于體外索在墩頂橫梁位置形成交叉錨固體系，為墩頂截面提供了較大的抵抗彎矩。標準化設計中50m梁采用先張預制工字梁加體外索的方式，體外索采用OVM.S6-15Φs15.2成品索。

3 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁結構設計創(chuàng)新技術

波形鋼腹板與箱梁混凝土頂板之間連接采用了一項創(chuàng)新技術[3]。其構造特點是在波形鋼腹板頂部開孔，在開孔上部沿波形鋼板的兩側縱向各焊接一根或多根結合鋼筋，于波形鋼板與混凝土頂板的結合面位置，在波形鋼板兩側沿縱向各焊接一塊與波形鋼板凹凸相補、緊密貼合的水平向翼緣板，在翼緣板上焊有多個豎立的焊釘，將翼緣板以上的連接構造伸入與之相連的混凝土頂板內，把混凝土頂板內的橫向鋼筋穿過波形鋼板上的開孔，然后澆注鋼筋混凝土頂板的混凝土。

這種波形鋼腹板混合型連接件充分發(fā)揮了嵌入式抗剪連接件施工便利和翼緣型抗剪連接件剛度大的優(yōu)點，能有效傳遞連接部位鋼材和混凝土這兩種材料之間發(fā)生的水平剪力，具有抗剪強度高，連接部位的強度、剛度及耐久性較好，結合部整體性好，節(jié)省鋼材，便于施工的特點，特別適合于中等跨徑波形鋼腹板箱梁的頂板連接件。該連接件，比采用雙PBL連接件能節(jié)省30%的鋼材。翼緣板同時可兼用作混凝土頂板澆注模板，解決了頂板混凝土澆注漏漿和混凝土剝落問題。

圖7 波形鋼腹板與混凝土新型連接結構圖

4 技術、經(jīng)濟效益分析

4.1 技術比較

與鋼板箱梁橋比較：波形鋼腹板的抗剪承載力大概是加肋平鋼板的2倍；橫向剛度加大，無須縱向、橫向加肋，故腹板折算厚度較小；因波形鋼腹板不承受預應力，故頂?shù)装孱A應力效率高；混凝土收縮、徐變效應降低，混凝土頂?shù)装迨湛s徐變、溫度效應對腹板影響很?。桓拱寮庸?、安裝更方便，腹板的三維韌性便利了施工，減少了幾何缺陷的敏感性。

波形鋼腹板通常采用Q345鋼，其抗剪設計強度為180MPa，大約是素混凝土抗剪設計強度的100倍。波形鋼腹板的應用，可以解決混凝土箱梁腹板開裂及跨中下?lián)系葐栴}。

4.2 經(jīng)濟比較

波形鋼腹PC箱梁最突出的特點是約占箱梁重量的20%～30%的混凝土腹板被輕量化了。箱梁自重減輕了15%～25%左右，箱梁自重的減輕最直接的效益是減少了上部構造自重內力，從而減少了上部構造混凝土、鋼筋、預應力鋼筋的用量，其造價降低約8%～12%。箱梁自重減輕另一效益是下部基礎工程量的減少。由于30m跨徑PC小箱梁斷面尺寸較小，30m跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁的材料用量指標超過30m跨徑 PC小箱梁，但結構剛度等力學指標和使用性能優(yōu)于30m跨徑PC小箱梁；40m、50m跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁與40m、50m跨徑預應力混凝土T梁相比，不僅力學和使用性能占優(yōu)，材料用量指標也占明顯優(yōu)勢?？鐝?0m以上，橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢將更加顯著。

5 結論

波形鋼腹板PC箱梁充分利用了混凝土抗壓，波形鋼腹板抗剪屈服強度高的優(yōu)點，是一種經(jīng)濟、合理、高效、環(huán)保的橋梁結構形式。橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁通過采用標準化、工廠化預制，無支架施工，更有利于保證工程質量，加快施工進度，降低工程造價，不僅在公路橋梁上，在對景觀和道路保通要求較高的城市立交橋上也有廣闊的推廣應用前景。設計的創(chuàng)新型連接件，同時可兼用作混凝土頂板澆注模板，解決了頂板混凝土澆注漏漿和混凝土剝落問題?？蔀轭愃乒こ烫峁┙梃b。