施智，羅吉智，彭蓉

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

預應力混凝土連續(xù)剛構(或連續(xù)梁)橋是中國公路大跨徑橋梁中應用最廣泛的橋型，該類橋型結構簡單、施工方便、養(yǎng)護容易、造價較低，在跨徑不超過200 m的范圍內最具競爭力。

然而，多年工程建設實踐表明：普通大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構、連續(xù)梁橋存在兩類主要工程病害：① 箱梁混凝土腹板開裂；② 主梁跨中持續(xù)下撓。究其原因主要是混凝土腹板抗剪、抗拉強度不足，而不斷地加厚腹板則會導致結構過重，受力不合理，也不經濟。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋則是通過采用波形鋼腹板取代傳統的混凝土腹板，有針對性地改善普通大跨徑預應力混凝土箱梁橋的這兩項弊病。

波形鋼腹板組合截面橋梁的結構形式多種多樣，限于篇幅，該文僅述及應用于連續(xù)剛構、連續(xù)梁橋型的波形鋼腹板預應力混凝土組合截面箱梁橋(以下簡稱“波形鋼腹板PC箱梁橋”，跨徑≥100 m的稱為“大跨徑”)的可行性和優(yōu)勢。

1 當前應用概況

波形鋼腹板PC箱梁橋源于法國，1986年首座波形鋼腹板橋梁在法國建成，距今已近40年。而該橋型得到廣泛應用的卻是在日本。隨著日本大量波形鋼腹板PC箱梁橋的建成，使其在該類橋型的設計建造水平處于領先地位，日本相繼出臺了相關的設計及施工規(guī)范、標準、指南、手冊等，不斷地完善了波形鋼腹板PC箱梁橋的技術理論。

中國對波形鋼腹板PC箱梁橋的研究起步于20世紀90年代中期，而設計建造始于21世紀初，2005年1月，中國建成第一座波形鋼腹板PC箱梁人行橋。近10多年來，波形鋼腹板PC箱梁橋在中國公路及市政橋梁中得到了一定的應用，已建和在建的橋梁有百余座。

目前世界最大跨徑的波形鋼腹板PC箱梁橋是日本安威川橋，最大主跨徑為179 m，中國有很多普通預應力混凝土連續(xù)剛構、連續(xù)梁橋的跨徑超過了這個跨徑。而中國已建成的波形鋼腹板PC箱梁橋主要跨徑范圍為50～150 m，目前中國在建的波形鋼腹板PC箱梁橋最大跨徑為160 m，未來可在更大的跨徑上做些嘗試。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋在日本和中國也建造了很多，從目前運營的情況看，沒有發(fā)現存在明顯的結構通病，且該橋型的理論研究及使用經驗正日趨成熟。因此，結合目前的使用情況，可認為大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋是值得推廣應用的一種橋型。

2 結構特點

波形鋼腹板PC箱梁橋是由混凝土頂底板與波形鋼腹板組成的組合結構，可以認為是普通預應力混凝土箱梁橋衍生出來的一種新結構，所以整體結構受力特性與普通混凝土箱梁橋相似。但也有其不同特點：

(1)采用波形鋼腹板代替混凝土腹板，結構自重可減輕達20%。但對于大跨徑的連續(xù)梁橋，由于在主墩附近的波形鋼腹板內側，設置了為防鋼板失穩(wěn)屈曲的里襯混凝土段，故整體結構自重減輕僅為10%左右；但減輕的部位集中在跨中，所以對主梁彎矩的減小效果很明顯。上構自重減輕的另一好處，可以減少下構工程量，降低造價。

(2)由于波形鋼腹板縱向伸縮剛度很小可以忽略，所以波形鋼腹板PC箱梁受力明確：軸向力基本由混凝土頂、底板承擔，剪力基本由波形鋼腹板承受(87%左右)。由于沒有腹板的約束，張拉頂底板預應力的效率明顯提高，且頂底板的收縮徐變變形不會向腹板轉移，從而避免了傳統混凝土箱梁腹板斜向開裂的通病，進而也減少跨中下撓。

(3)對于大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋，一般在箱內設置若干體外預應力束，以提高結構的抗彎、抗剪承載力，并有利于減少跨中下撓。

(4)相對于普通預應力混凝土箱梁，波形鋼腹板PC箱梁的截面抗扭剛度下降約60%。對大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋，可通過在箱內設置若干道橫隔板來解決這不利影響，同時部分橫隔板亦作為體外束轉向機構使用。

(5)由于波形鋼腹板PC箱梁結構較輕巧，采用懸臂澆筑施工時節(jié)段可以更長一些；而且采用鋼腹板后減少了鋼筋的綁扎量和混凝土的澆筑量，從而有效縮短工期；另外，利用鋼腹板作承重構件進行懸臂澆筑施工(簡稱“RW工法”)(圖1)，可以顯著減小掛籃尺寸和重量，輕巧的掛籃加設計行走裝置后，可在鋼腹板頂自由行走，使施工更方便，工期更短。

圖1 波形鋼腹板PC箱梁橋懸臂施工RW工法示意圖

3 工程設計實例

3.1 工程概況

龍馬紅水河特大橋是廣西某高速公路上的一座橋梁。橋梁總長634.08 m，主橋為雙幅(95+180+95)m的連續(xù)剛構橋。為便于研究和比較，對該主橋先后作了波形鋼腹板PC箱梁橋和普通預應力混凝土箱梁橋兩種方案同深度的施工圖設計。圖2為波形鋼腹板PC箱梁橋方案的橋型立面圖。

圖2 龍馬紅水河特大橋波形鋼腹板PC箱梁橋方案橋型立面圖(單位：cm)

3.2 主要設計參數

(1)主梁結構尺寸。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋抗彎剛度比普通混凝土箱梁下降約10%，但結構自重也減輕10%左右，所以其主梁梁高可以取與普通預應力混凝土連續(xù)剛構橋一致或略高。該方案的主墩支點梁高采用11.25 m，跨中梁高采用4.2 m；支點梁高h支=L/16,跨中梁高h中=L/43，比普通預應力混凝土箱梁的梁高略高。

(2)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的頂、底板厚度與普通預應力連續(xù)箱梁基本相當。該方案的箱梁頂板厚度采用34 cm(考慮橫向受力需要)，跨中處底板厚度采用30 cm，支點處底板厚度采用120 cm。大跨徑波形鋼腹板PC箱梁斷面見圖3。

圖3 大跨徑波形鋼腹板PC箱梁斷面圖(單位：cm)

(3)波形鋼腹板一般由卷材或板材彎折而成，通常橋梁中采用的波形鋼腹板是等波長的，按波長將波形鋼腹板分類，1600型是目前中國廠家生產的最大型號，主要用于大跨徑橋梁。該方案采用1600型波形鋼腹板，即波長為1.6 m；主梁支點處波形鋼腹板高度達8.92 m，鋼板厚度采用30 mm；跨中處高度為2.78 m，鋼板厚度采用12 mm；中間區(qū)段鋼板厚度采用14、22、28 mm過渡。鋼板材料采用耐候鋼，無需防腐涂裝，正常環(huán)境壽命可達50年以上。

(4)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋要在主墩支點附近設置一段里襯混凝土，其一是為了使波形鋼腹板與支點0#塊混凝土之間應力傳遞均勻；其二是為了防止波形鋼腹板的屈曲。對于防止鋼腹板屈曲，經驗做法是超過5 m高的波形鋼腹板均要設里襯混凝土。該方案的里襯混凝土段長度為20.5 m，最厚平均厚度(取波形鋼腹板波峰、波谷處兩者的平均值)為115 cm，最薄平均厚度為35 cm。該方案不設里襯混凝土的波形鋼腹板最大高度為6.633 m，比上述經驗值(5 m)略高，但屈曲驗算仍可滿足要求。方案在鋼腹板屈曲失穩(wěn)滿足要求的前提下，通過適當減小里襯混凝土長度來減輕結構自重。

(5)大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的頂、底板體內預應力束的布置，與普通預應力混凝土連續(xù)箱梁橋基本一致；由于沒有混凝土腹板，故無體內腹板下彎束。因此，為提高主梁整體抗剪能力，增加墩頂正截面強度，減小跨中下撓，需設置一些體外預應力束，形成體內、體外預應力并用的方式。一般體內預應力主要用來承擔恒載效應，而體外預應力則主要用來抵抗活載效應。體外預應力束可定期更換，對抑制主梁跨中持續(xù)下撓十分有利。該方案的體內預應力頂板束采用19φs15.2和22φs15.2兩種規(guī)格的鋼絞線束，頂板合龍束采用19φs15.2；中跨底板束采用17φs15.2，邊跨底板束采用15φs15.2。體外預應力束均采用22φs15.2的鋼絞線束，其中中跨用6束，邊跨用4束，并且每跨留有2束的備用孔(圖4)。

圖4 大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋體外預應力束布置示意圖(單位：cm)

3.3 主要計算結果

大跨徑波形鋼腹板連續(xù)剛構橋與普通混凝土連續(xù)剛構橋的計算內容基本一致，其不同之處在于鋼腹板的計算。根據波形鋼腹板橋的結構特點，主要從以下幾方面來進行結構驗算。

(1)主梁抗彎承載力

與普通混凝土連續(xù)剛構橋的驗算方法一致，重點驗算主墩支點處和中跨跨中處的主梁正截面抗彎承載力(表1)。

從表1可知：主梁主墩處及中跨跨中處的正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求，并略有富余。其余截面也均滿足規(guī)范要求。

表1 主梁正截面抗彎承載力主要計算結果

(2)主梁抗剪承載力

波形鋼腹板剛構橋抗剪計算分純鋼腹板梁段和設里襯混凝土鋼腹板梁段兩種情況：① 純鋼腹板梁段，假定剪力全由波形鋼腹板承擔且剪力均勻分布；② 里襯混凝土鋼腹板梁段，考慮鋼腹板和里襯混凝土共同承擔剪力。

根據計算結果，純鋼腹板梁段最不利的抗剪截面是邊跨3L/4截面和邊跨L/2截面，均滿足承載力要求。具體結果見表2。

表2 波形鋼腹板梁段抗剪承載能力驗算結果

而里襯混凝土鋼腹板梁段由于有里襯混凝土的參與，其抗剪承載力明顯富余很多。具體結果見表3。

(3)主梁抗裂驗算

主梁按全預應力混凝土構件設計，根據行業(yè)設計規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，按以下公式進行主梁正截面抗裂驗算：

σst-0.80σpe≤0

(1)

主要控制截面正常使用極限狀態(tài)截面抗裂驗算結果見表4。

表3 里襯混凝土波形鋼腹板梁段抗剪承載能力驗算結果

表4 主要控制截面正常使用極限狀態(tài)截面抗裂驗算結果

(4)混凝土最大壓應力

根據規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，按以下公式進行主梁受壓區(qū)混凝土的最大壓應力驗算：

未開裂構件：

σkc+σpt≤0.5fck

(2)

該方案主梁混凝土采用C60，0.5fck=19.25 MPa。受壓區(qū)混凝土最大壓應力計算結果見表5。

表5 受壓區(qū)混凝土最大壓應力計算結果

從表5可知：主梁受壓區(qū)混凝土最大壓應力值為16.6 MPa，小于0.5fck=19.25 MPa，滿足規(guī)范要求，且有一定的安全富余。

(5)撓度驗算

根據規(guī)范(JTG 3362—2018)要求，消除結構自重產生的長期撓度后，主梁在汽車(不計沖擊力)和人群荷載頻遇組合作用產生的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600。具體撓度計算結果見表6。

表6 撓度驗算結果

(6)鋼腹板屈曲驗算

波形鋼腹板一般都很薄，所以穩(wěn)定性驗算是重要的驗算內容。一般應考慮局部屈曲、整體屈曲及合成屈曲3種失穩(wěn)模態(tài)。理論公式及符號意義可參考文獻[1]，表7為主橋鋼腹板屈曲驗算結果。

從表7可以看出：合成屈曲控制結構安全，而最不利的截面為中跨L/4截面，其最小安全系數為1.4，≥1，滿足要求。

(7)波形鋼腹板與頂底板連接抗剪驗算

波形鋼腹板與頂板采用翼緣型Twin-PBL剪力鍵連接方式，與底板采用翼緣型角鋼剪力鍵連接方式。由于國家標準未頒布，因此參考了廣東省地方標準DB 44/T 1393—2014《波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋設計與施工規(guī)程》來驗算連接件的抗剪承載力，公式如下：

γ0Vsd≤Vpud

(3)

式中：Vsd為對應頂板連接為翼緣型Twin-PBL剪力鍵開孔板的單孔水平設計剪力，對應底板連接為一處角鋼剪力鍵的水平設計剪力；Vpud為頂板(或底板)連接件單孔(或每處)的水平抗剪承載力設計值。

波形鋼腹板與頂、底板連接抗剪承載力驗算結果見表8。

表7 承載能力設計荷載作用下波形鋼腹板剪切屈曲驗算結果

表8 波形鋼腹板與頂、底板連接抗剪承載力驗算結果

由表8可以看出：波形鋼腹板與箱梁混凝土頂、底板連接處抗剪承載力滿足規(guī)范的要求，其中最大剪力均出現在主橋中支點附近。

該方案還進行了橋梁其他項目的驗算，驗算結果均滿足規(guī)范要求，不再一一列出。

3.4 經濟比較

大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋因腹板用鋼量較大，所以其工程造價受市場鋼材價格影響較大。表9為該橋主橋波形鋼腹板與普通混凝土腹板箱梁方案的設計預算數據比較。

由表9可知，就主橋而言，波形鋼腹板連續(xù)剛構方案比普通預應力混凝土連續(xù)剛構方案費用高4.6%左右；如果鋼材價格低時，則波形鋼腹板方案的造價會低些；由于有一岸巖石裸露，有兩個橋墩基礎采用明挖擴大基礎，波形鋼腹板方案減輕的恒載重量對減少基礎工程數量的作用未能充分體現，如在地基覆蓋層較深需要采用摩擦群樁基礎時，則作用明顯；另外波形鋼腹板方案采用的施工掛籃重量僅為傳統掛籃的1/2，其帶來的經濟效益在對比表中也未能充分體現?？傮w而言，可以認為該橋的波形鋼腹板連續(xù)剛構方案與普通預應力混凝土連續(xù)剛構方案的造價基本相當，但施工工期能夠節(jié)省60個工作日，具有明顯的時間效益。

表9 主橋兩種方案設計主要經濟指標對比

3.5 設計小結

該橋主跨為180 m的連續(xù)剛構，采用波形鋼腹板PC箱梁橋的方案，各項力學指標均能滿足有關規(guī)范要求，且施工工期較普通混凝土連續(xù)剛構橋明顯縮短，造價基本相當，因此方案相對更優(yōu)。

4 思考與探索

通過大跨徑波形鋼腹板PC箱梁橋的設計實踐，提出如下思考：

(1)根據中國有關研究，波形鋼腹板連續(xù)剛構(或連續(xù)梁)橋最大跨徑可達310 m。如果要實現更大跨徑的突破，現有的波形鋼腹板型號不足以勝任，建議廠家進行更大尺寸(如2400型)波形鋼腹板的研發(fā)，以備將來之需。

(2)里襯混凝土段的設置長度，也是制約大跨徑波形鋼腹板PC箱梁發(fā)展的重要問題。按以往控制鋼腹板高度的經驗方法來設置里襯混凝土段，會很長；結構自重減輕不明顯，經濟性變差。為此，下一步需要對里襯混凝土段的設置做更多的研究。初步的幾個想法：① 鋼腹板采用加勁肋提高抗屈曲能力；② 采用高強、輕質新材料，減薄、減輕里襯混凝土段；③ 只在鋼腹板部分高度范圍內設里襯混凝土。

(3)對于更大跨徑的波形鋼腹板連續(xù)梁橋，體外束和體內束的設置比例是一個值得研究的問題。體外束可減小主梁跨中下撓，定期更換能有效解決預應力損失的問題；但需要轉向和減振裝置，且更換時對交通有一定影響。日本有些工程師傾向于多設體外束，利于更換。而中國目前的做法是體內束設置多一些，讓體內束承擔所有恒載的內力。因此對這個設置比例問題值得進一步研究。

5 結語

波形鋼腹板PC箱梁橋的應用已有30多年，特別在日本應用廣泛，理論體系和相關規(guī)范較完備，工程實踐日趨成熟，應用于大跨徑梁橋的實例也很多，目前沒有發(fā)現明顯結構通病。在中國，近些年來也逐步推廣應用，但總體數量不多，跨徑不大，與中國在這方面的理論體系不夠完善和相關經驗不足有關。

該文結合實橋的設計實踐，對該橋型進行了較深入的研究和探討。希望能為波形鋼腹板PC箱梁橋向更大跨徑的方向發(fā)展提供有益的經驗借鑒。