胡逸凡 王綿坤 孫約瀚 荊國強

（1.溫州市七都大橋北汊橋建設有限公司 浙江溫州 325099；2.廣東水利電力職業(yè)技術學院市政工程系廣東廣州 510635；3.西南交通大學土木工程學院 四川成都 610031；4.中鐵大橋科學研究院有限公司湖北武漢 430034；5.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 湖北武漢 430034）

1 引言

波形鋼腹板（Corrugated Steel Web，CSW）預應力組合箱梁橋起源于法國，與傳統預應力混凝土（Prestressed Concrete，PC）箱梁相比優(yōu)勢顯著［1－2］。目前，該橋型已在德國、挪威、美國、韓國、日本得到廣泛應用［3］，我國的波形鋼腹板橋梁也在迅速發(fā)展［4－5］。在大跨度橋梁結構中，混凝土徐變是引起結構下撓的主要因素，同時徐變還會引起結構內力和應力的重分布［6－7］，對結構長期受力性能的影響不容忽視，在設計和施工中應充分考慮。波形鋼腹板箱梁的頂底板材料為混凝土，腹板材料為鋼材，兩種材料特性差異很大，同時徐變可能引起箱梁混凝土頂底板、波形鋼腹板之間的應力重分布，并引起預應力損失，對橋梁的長期變形和內力產生重要影響，近幾年受到廣泛關注。李立峰［8］對波形鋼腹板簡支梁在長期荷載下的徐變效應進行了試驗研究，并對波形鋼腹板簡支梁徐變計算方法進行驗證，通過參數分析結果表明，波形鋼腹板截面能有效減小徐變效應，從而減小長期徐變效應引起的反拱。李明［9］建立了一座等截面波形鋼腹板與預應力混凝土簡支梁的模型，對比分析了徐變效應導致的內力以及位移的變化。唐楊［10］建立了一座大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋模型，研究環(huán)境相對濕度、混凝土加載齡期、持續(xù)加載時間、混凝土強度等級以及橋墩高度對波形鋼腹板組合箱梁橋收縮徐變的影響。熊鋒［11］研究了剪切變形對波形鋼腹板組合箱梁橋徐變效應的影響，得出剪切變形對徐變應力與徐變變形均產生明顯影響，且徐變應力減小而徐變變形增大的結論。楊彥海［12］從徐變效應、徐變影響因素以及徐變計算方法對波形鋼腹板以及混凝土簡支梁進行了對比研究。徐變效應對于大跨徑橋梁的影響十分顯著，特別近年大跨度橋梁由于徐變效應產生的跨中撓度增加，甚至腹板開裂的問題層出不窮，現有波形鋼腹板主梁與混凝土主梁徐變效應的對比研究主要集中在簡支梁，對大跨徑波形鋼腹板橋梁徐變效應研究較少，因此對大跨徑波形鋼腹板橋梁的研究具有較大意義。

本文采用大型通用有限元軟件Midas／Civil建立一座3跨預應力連續(xù)剛構橋梁，其中主梁分別采用波形鋼腹板與混凝土箱梁，對比分析截面類型不同時，主梁與墩頂位移、主梁頂底板應力以及預應力損失，旨在為修建同類型的大跨度波紋鋼腹板連續(xù)剛構橋梁提供參考。

2 工程概況

本文以一座波形鋼腹板連續(xù)剛構橋為研究對象，該橋跨徑布置為（105＋190＋105）m，橋型布置如圖1所示。箱梁頂板寬16.5 m，底板寬9.5 m，外翼板懸臂長3.5 m。箱梁跨中及邊跨支架現澆段梁高5.0 m，箱梁根部斷面梁高為11.7 m。從箱梁根部至跨中及邊跨現澆段，梁高以1.8次拋物線變化。箱梁預應力鋼束采用體內預應力與體外預應力相結合的方式進行配置。

圖1 橋型布置（單位：cm）

箱梁0號段長11.6 m（包括橋墩兩側各外伸1.3 m），每個T構縱橋向劃分為22個梁段，梁段長度從根部至端部分別為2×3.0 m、8×3.6 m、11×4.8 m。1～22號梁段采用掛籃懸臂澆筑施工，懸臂澆筑梁段最大控制重量274 t，掛籃設計自重110 t。全橋合計共有3個合龍段，合龍段長度均為3.2 m。邊跨現澆段長8.2 m。

3 截面設計及有限元模型

3.1 截面設計

為保證CSW截面與PC截面在同等條件下對比其徐變性能，以截面抗彎承載力與腹板抗剪承載力一致為目標設計兩類截面，腹板抗剪承載力的等效換算公式：

式中：t為混凝土腹板厚度；［τ1］為鋼板的容許抗剪強度；［τ］為混凝土的容許抗剪強度；t1為波形鋼腹板厚度。

根據式（1）可得到腹板厚度，在箱梁底板尺寸一致且頂底板配筋相同的情況下，將頂板根據抗彎承載力等效，則可通過試算調整頂板各部分分塊尺寸，使得兩種截面的抗彎承載力一致。

根據以上等效方法，可得到如圖2所示的CSW截面與PC截面尺寸。

圖2 截面尺寸（單位：mm）

3.2 有限元模型

橋梁有限元模型采用Midas軟件建立，主梁截面采用CSW截面與PC截面分別建模，全橋模型共分為89個施工階段。主梁采用C60混凝土，彈性模量為3.6×104MPa；橋墩采用C30混凝土，彈性模量為3×104MPa。為便于比較，CSW截面與PC截面均采用相同的體外預應力與體內預應力，預應力鋼束采用?15.2 mm高強低松弛鋼絞線，彈性模量為1.95×105MPa。施工時，邊跨采用支架現澆方式施工，其余部分采用懸臂澆筑施工。主墩與主梁之間采用剛性連接，主墩底部采用固結處理，邊跨支座采用滑動鉸支座進行模擬。有限元空間計算模型如圖3所示。有限元模型采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）中規(guī)定的徐變模型計算徐變效應，徐變的時變效應采用逐步計算法進行計算，相對濕度為70%，構件理論厚度為0.001，水泥種類系數取5.0，其他參數由程序自動生成。

圖3 有限元模型

4 波形鋼腹板與普通混凝土腹板連續(xù)剛構橋徐變效應對比分析

4.1 主梁跨中以及墩頂變形分析

大跨度連續(xù)剛構橋在徐變作用下，主梁變形不斷增大，同時橋墩墩頂也會產生一定的變形。本節(jié)以成橋階段為基準，提取CSW連續(xù)剛構橋和PC連續(xù)剛構橋的跨中撓度以及墩頂變形，并進行差分，得到跨中撓度以及墩頂變形隨時間的變化率，如圖4～圖5所示。

圖4 跨中撓度增量

圖5 左墩墩頂水平位移增量

由圖4可以看出：總體上PC連續(xù)剛構橋的徐變撓度較CSW連續(xù)剛構橋大，成橋20年時，前者為后者徐變變形的1.64倍，說明在橋梁運營后期，CSW連續(xù)剛構橋能一定程度上克服長期變形對行車舒適性的影響，且由于采用CSW代替了傳統的混凝土腹板，也會減少腹板開裂的現象。在成橋前期，兩種結構撓度均隨時間明顯增大，CSW連續(xù)剛構增長速率要明顯低于PC連續(xù)剛構，后者為前者的1.76倍，后期兩種橋梁撓度增長速率逐漸變緩。

由圖5可以看出：CSW連續(xù)剛構橋墩頂位移以及變化率均較PC連續(xù)剛構橋大，且位移逐漸向跨中方向增大，成橋20年時，前者水平位移為后者的1.21倍，說明隨著橋梁運營時間增加，CSW連續(xù)剛構橋橋墩受力較為不利，需要通過增大墩高等方式減小推力帶來的不利影響。

4.2 頂底板應力分析

圖6為成橋20年時兩種橋梁截面的徐變應力對比曲線，圖中橫坐標表示截面坐標距離橋梁左端點的距離。

由圖6a可以看出：徐變導致的跨中處截面上緣應力最大，且PC連續(xù)剛構較CSW連續(xù)剛構大，增幅達111%；由圖6b可以看出，徐變導致的跨中處截面下緣應力最大，且PC連續(xù)剛構較CSW連續(xù)剛構大，增幅達49%，這說明CSW連續(xù)剛構能有效減小混凝土的徐變應力，從而可以優(yōu)化混凝土截面，使上下底板混凝土用量更少，達到節(jié)省工程量的目的。

根據圖6計算結果，最不利徐變應力位于橋梁中跨跨中截面，因此本文給出橋梁中跨跨中截面上下緣的徐變應力隨時間的變化曲線，見圖7。由圖7可知，成橋初期，截面徐變應力隨時間變化較快，且CSW連續(xù)剛構徐變應力的增加速度要慢于PC連續(xù)剛構；15年后，兩種橋梁結構的徐變應力均不再增加。對比兩圖可知，頂板的徐變應力增加速度要快于底板。CSW連續(xù)剛構截面上、下緣徐變應力在成橋20年與成橋初期相比增幅分別為186%、191%，PC連續(xù)剛構截面上、下緣徐變應力在成橋20年與成橋初期相比增幅為308%、292%，且從圖中可以看出：成橋初期徐變應力均較小，說明長期徐變效應對混凝土的應力影響較大，而CSW連續(xù)剛構可減小這種不利效應。

圖6 徐變引起的截面應力變化（20年）

圖7 跨中截面應力及應力變化率

4.3 預應力損失分析

為分析CSW連續(xù)剛構與PC預應力連續(xù)剛構徐變導致的預應力損失隨時間變化規(guī)律，本文選取代表性的體外預應力與體內預應力，并給出兩種預應力損失以及損失速率隨時間變化規(guī)律，見圖8。

圖8 預應力損失及損失速率隨時間變化規(guī)律

由圖8a可知：體內預應力損失在成橋初期，CSW連續(xù)剛構與PC連續(xù)剛構數值分別為25.7 MPa與22.1 MPa，成橋20年時分別為99.6 MPa與93.4 MPa，出現這種現象是因為前者預應力損失變化速率比后者稍快，在成橋20年時，CSW連續(xù)剛構相比PC連續(xù)剛構徐變預應力損失大6.2%。

由圖8b可知：在成橋初期，CSW連續(xù)剛構與PC連續(xù)剛構徐變預應力損失相差4 MPa，但前者比后者的徐變預應力損失率大，因此，在成橋20年時，CSW連續(xù)剛構比PC連續(xù)剛構徐變預應力損失大22.8%。

由上述分析可知：無論采用體外預應力或體內預應力，CSW連續(xù)剛構徐變預應力損失均較PC預應力連續(xù)剛構大，采用體外預應力時前者的預應力損失變化率更大。需要注意的是，成橋20年時，兩種橋梁結構采用體外預應力的徐變預應力損失更小，因此，總體上看，采用體外預應力更適合大跨CSW連續(xù)剛構橋梁。

5 結束語

（1）PC連續(xù)剛構中跨跨中徐變導致的撓度大于CSW連續(xù)剛構，成橋20年時，前者為后者徐變變形的1.64倍，這說明CSW連續(xù)剛構將顯著改善跨中撓度變形以及下撓過大導致的腹板開裂等一系列問題。

（2）成橋20年時，CSW連續(xù)剛構墩頂水平位移為PC連續(xù)剛構橋的1.21倍，說明隨橋梁運營時間的增加，CSW連續(xù)剛構橋對于橋墩的受力較不利，需采取增大墩高等方式減小不利影響。

（3）在相同預應力配置下，CSW連續(xù)剛構頂底板徐變應力明顯小于PC連續(xù)剛構，有利于混凝土頂底板的優(yōu)化設計，達到節(jié)省材料的目的。

（4）CSW連續(xù)剛構徐變預應力損失較PC預應力連續(xù)剛構大，說明采用CSW連續(xù)剛構對預應力損失較為不利?？傮w上看，采用體外預應力更適合大跨CSW連續(xù)剛構橋梁。