馬立通

(邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司)

波形鋼腹板在橋梁工程中的應(yīng)用

馬立通

(邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司)

在體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟以及新型建筑材料的飛速發(fā)展的今天,越來越多的國家已經(jīng)加入到了對(duì)大跨徑橋梁的主梁輕型化問題的研究當(dāng)中。目前,鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在歐美和日本都應(yīng)用廣泛,它的特點(diǎn)是充分利用了混凝土、鋼二者的材料本身的優(yōu)點(diǎn)。波形鋼腹板PC組合箱梁即是它的產(chǎn)物,具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、強(qiáng)度及材料使用效率高、外形美觀,抗震性能好的特點(diǎn)。通過對(duì)波形鋼腹板在橋梁工程的應(yīng)用方面具體闡述我國在橋梁方面的發(fā)展與應(yīng)用。

波形鋼腹板;橋梁工程;箱梁;組合梁橋

1 引 言

20世紀(jì) 80年代時(shí),法國率先實(shí)現(xiàn)了一種新型橋梁結(jié)構(gòu)——波形鋼腹板的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)是以波形鋼腹板代替混凝土腹板的新型組合型結(jié)構(gòu)橋梁,即 Cognac橋,后來又建造出了Maupre高架橋、Asterix橋和Dole等數(shù)座波形鋼腹板的組合結(jié)構(gòu)橋梁。此后,這種橋在德、韓、日等國都得到了應(yīng)用,其中以日本應(yīng)用最多。從 90年代起,日本開始了對(duì)波形鋼腹板型橋梁進(jìn)行了大量的科學(xué)研究,使其技術(shù)得到了飛速發(fā)展,在借鑒了法國同類建筑的基礎(chǔ)上,修建了一系列橋梁,如矢作橋、日見橋、新開橋、松木七號(hào)等。并且這其中包括連續(xù)梁橋、連續(xù)鋼構(gòu)橋、斜拉橋和部分斜拉橋,拓寬了此類橋梁的應(yīng)用范圍。

選擇腹板波形的形式是應(yīng)注意考慮以下幾個(gè)方面:

(1)加工方法的難易;

(2)應(yīng)力情況,是否引起應(yīng)力集中;

(3)是否便于參數(shù)化建模,以利于后繼的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 波形鋼腹板的概述

2.1 橋梁波形鋼腹板的形狀和尺寸的特點(diǎn)

(1)除了采取預(yù)制節(jié)斷梁并要求與鄰橋梁高度的鍋田高架橋以外,其他的所有橋梁的波形鋼腹板段的寬度都是相同的;

(2)除鍋田高架橋和最早建成的Cognac橋,波形高度與直板段或斜板段的寬度的比大致在 0.4～0.6之間;

(3)腹板的厚度往往鋼板的最小厚度,最小厚度一般在8～9 cm。波形腹板厚度、梁截面高度與最大跨徑的變化關(guān)系,除去極少數(shù)橋梁的跨中與墩上的截面高度、腹板厚度等同之外,跨中板厚與波形高度比約為 1∶20。

2.2 波形鋼腹板的缺點(diǎn)

(1)波形鋼腹板的主要點(diǎn)在于它較高的制作成本。

(2)較于普通的混凝土箱梁來說,波形鋼腹板箱梁斷面的抗扭曲鋼度以及抗畸變剛度都有所下降。

(3)波形鋼腹板的屈曲損壞較為突然,且常常在屈曲后段,其承載力大約下降到類似于平鋼腹板的水平。

(4)如果波形鋼腹板之間采用焊接連接,那么其豎向邊緣焊接的數(shù)量較平鋼腹板略有增加。

(5)由于波形鋼腹板特殊的外形使其有較多的拐角,導(dǎo)致容易造成滯留泥沙的污染物,這樣一來更容易遭到腐蝕。

2.3 波形腹板間的連接

由于波形腹板在加工、運(yùn)輸以及施工上的特殊要求,一般在縱橋方向的都會(huì)分割成段,然后再在施工現(xiàn)場(chǎng)加以拼裝。其連接方式大致有焊接和高強(qiáng)度螺栓兩種。波形腹板跟普通的平鋼板間的連接不同,即當(dāng)縱橋向剛度相對(duì)很小、不需要承擔(dān)軸力、只需要考慮怎樣有效承擔(dān)剪力。由于腹板是由坡口焊對(duì)接上的,因此在強(qiáng)度方面完全不用擔(dān)心,同時(shí)這種方法又不乏美觀,但是在施工方面并不是最好的實(shí)施選擇方案。

2.4 波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接

波形鋼腹板組合梁常常是在波形鋼腹板的上端部和下端部焊制連接鋼制翼緣板,其上焊接剪力釘,將之和混凝土板結(jié)合在一起,這種剪力鍵僅僅由栓釘抗剪。此外還有一種新型的建立連接件——嵌入式,它的特點(diǎn)是采用了鋼腹板上穿孔的方式,穿過橫向貫穿的鋼筋,然后再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后掩埋混凝土板的方法。這種方式避免了焊縫連接中常常會(huì)出現(xiàn)的焊縫疲勞的疑難問題。波形鋼腹板因其特殊的形狀,為斜向鋼板在承受水平剪力時(shí)提供了很有利的條件。

3 波形鋼腹板的應(yīng)用

3.1 波形鋼腹板組合梁橋

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁結(jié)構(gòu)是波形鋼腹板組合梁橋的全稱,它是一種新開發(fā)出的鋼一預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)。這款組合梁的優(yōu)勢(shì)在于大大減少了腹板的厚度,從過去的厚度為 30～80 cm的混凝土腹板,改為僅有 12mm左右厚度的彎折鋼板。這也就自然減輕了箱梁的自重(減輕約20%),同時(shí)也減少了材料的用量,因?yàn)椴辉傩枰炷粮拱?更減少了模板和鋼筋的拼裝與拆除工作,大大縮短了工期。

3.2 波形鋼腹板組合梁橋的構(gòu)造特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

就目前而言,已經(jīng)建成的波形鋼腹板組合型梁橋,其主要截面形式可大致分為兩種,一種是箱型截面,另一種是工字型截面。箱型截面是指兩片波形腹板傾斜放置,而工字型截面則是一片波形鋼腹板豎直放置,二者其余構(gòu)造類似。比較來看,大多數(shù)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合梁橋還是采用了箱型截面,也就是波形鋼腹板 PC組合箱梁。

(2)與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋相比的優(yōu)點(diǎn)。

①自重減少,增強(qiáng)了抗震的性能。由于腹板采用了較輕的波形鋼板,其橋梁本身的自重較之于普通的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋便大為減輕,因而地震激勵(lì)作用的效果有明顯的降低,其抗震性能自然有明顯的提高。

②節(jié)省建筑用材,節(jié)省建筑成本。以波形鋼腹板代替厚且重的混凝土腹板,這樣就大大降低的上部結(jié)構(gòu)的自重,同時(shí)增大了橋梁跨度徑長(zhǎng)并且減少了下部結(jié)構(gòu)的工作量,最終降低了整體工程的造價(jià)。

③通過改變結(jié)構(gòu)與性能,提高預(yù)應(yīng)力的效率。由于波形鋼腹板的的縱向剛度很小,無法抵抗軸向力,因而當(dāng)導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力時(shí)并不受抵抗,其縱向預(yù)應(yīng)力則可以集中加載于上、下兩翼板,有效提高了預(yù)應(yīng)力效率。

④材料選取巧妙,充分利用材料特性,將效率發(fā)揮到最大化。混凝土堅(jiān)固,可以抗彎;波形鋼腹板外形奇特(腹板內(nèi)的應(yīng)力分布均勻,超于傳統(tǒng)意義上的三角形),用來抗剪。

⑤截面回轉(zhuǎn)半徑增大,結(jié)構(gòu)效率得到提高。在波形鋼腹板PC箱梁橋中,混凝土?xí)r均勻集中于上下翼緣處的,其回轉(zhuǎn)半徑幾乎能夠增加到最大值點(diǎn),這樣有助于提高截面的結(jié)構(gòu)面積利用率

⑥縮短工期,將成本降到最低。在該工程施工過程中,大量減少了模板、混凝土澆筑、支架等材料,避免了許多繁瑣的工作流程,相反波形鋼腹板可以工廠化批量生產(chǎn),當(dāng)場(chǎng)拼裝即用,更是加快了作業(yè)速度。

⑦體外力筋可替換,便于日后橋梁的加強(qiáng)與維修處理工作。波形鋼腹板 PC箱梁橋采用的是體外預(yù)應(yīng)力,不可避免的在長(zhǎng)期使用后體外預(yù)應(yīng)力索出現(xiàn)斷裂損壞,在這種情況下,也可以在夜間車輛較少時(shí)停止車輛通行后快速更換。

⑧免除了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋受外力荷載以及混凝土收縮所造成的腹板開裂問題,其耐久性極強(qiáng)。

⑨橋梁是一種建筑,在某種意義上講同樣也是一門藝術(shù)。因此在注重了橋梁的質(zhì)量、成本、應(yīng)用效率的同時(shí),也絕不能忽視它的造型。波形鋼腹板恰恰就具備了這個(gè)優(yōu)點(diǎn),它造型美觀,是橋梁整體呈現(xiàn)美感。不論是在繁華的城市,還是在幽靜的景區(qū),它都是很好的選擇。

4 結(jié) 語

在橋梁建筑方面要緊跟科技步伐,在了解了國外各個(gè)優(yōu)秀的橋梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用性能之后,切合我國實(shí)際情況,采取最合理的橋梁建筑策略,達(dá)到省時(shí)、省材料、省設(shè)施高質(zhì)量的目標(biāo)。實(shí)踐證明,波形鋼腹板在橋梁上的應(yīng)用比混凝土梁在投資總額上有所減少,明顯減輕自重。隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大幅度前進(jìn),以及波形鋼腹板 PC箱梁橋的研究應(yīng)用的發(fā)展,這種橋會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

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[3]孫立功,楊江朋 .橋梁工程[M].西南交大出版社,2008:56.

[4]董軍.橋梁工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009:22.

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1008-3383(2010)06-0087-02

2010-02-11

馬立通,男,助理工程師,研究方向:橋梁工程。