公路新型鋼底板和波形腹板連續(xù)組合梁橋方案設(shè)計(jì)

李 川，王霽陽(yáng)，鄭凱鋒

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

橋梁建設(shè)自20世紀(jì)80年代之后在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展，隨著國(guó)內(nèi)公路等級(jí)的提高和建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，連續(xù)梁橋由于綜合效益高而得到人們?cè)絹?lái)越多的重視。但是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋存在的底板易開(kāi)裂、自重過(guò)大、下?lián)蠂?yán)重等問(wèn)題［1］，阻礙了橋梁建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。近幾年，橋型的拓展使得這些問(wèn)題有所緩解，其中，波形鋼腹板組合梁橋?qū)τ跍p輕混凝土箱梁自重和減少預(yù)應(yīng)力筋用量較為有效，因此成為組合梁橋技術(shù)革新的一個(gè)重要方向。本文提出以鋼底板和波形鋼腹板代替混凝土底板和直腹板的橋梁設(shè)計(jì)方案，通過(guò)建模分析比較優(yōu)勢(shì)。

早在1975年，法國(guó)Campenon Bernard公司首先提出了以波形鋼腹板代替普通的混凝土箱梁腹板的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁，相繼建造了 Cognac橋、Maupre高架橋、Asterix橋和Dole等數(shù)座波形鋼腹板橋。隨后日本也對(duì)該類形式的橋梁進(jìn)行了研究，先后修建了新開(kāi)橋、本谷橋、松木七號(hào)橋等，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)并發(fā)展了施工技術(shù)。波形鋼腹板組合箱梁在我國(guó)引進(jìn)后，得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

波形鋼腹板可使腹板厚度減小，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)自重并且減少預(yù)應(yīng)力筋用量。經(jīng)工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，波形鋼腹板代替?zhèn)鹘y(tǒng)箱梁混凝土腹板后，自重減輕25%～35%，但頂?shù)装宓幕炷烈蛐熳兪湛s變形受到鋼腹板的約束，預(yù)應(yīng)力的使用效率降低；上下翼緣板承擔(dān)截面全部彎矩，波形鋼腹板幾乎承擔(dān)了全部剪力，因此波形鋼腹板的抗剪強(qiáng)度與橋梁整體穩(wěn)定是設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。

本文結(jié)合(62+105+62)m公路鋼底板和波形腹板連續(xù)組合梁橋方案設(shè)計(jì)，采用鋼-混底板以避免跨中底板鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，消除跨中下?lián)项A(yù)應(yīng)力影響因素，提高底板抗裂性能。波形鋼腹板則有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。利用有限元軟件計(jì)算分析橋梁受力情況，優(yōu)化配置，使得混凝土橋面板和鋼底板應(yīng)力、波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度以及全橋變形通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。最后比較新型連續(xù)組合梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)鋼底板波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋有明顯優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用在更多的橋梁建設(shè)中。

1 方案設(shè)計(jì)

選取一座(62+105+62)m雙向6車道高速公路連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象。原方案采用預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，橋梁全長(zhǎng)229 m，單幅橋面寬度為12.75 m，支座和跨中截面的腹板梁高分別為7 m和2.7 m，底板厚度分別為100 cm和50 cm，梁高和底板頂部高度變化曲線由跨中向支座處按1.6次拋物線變化。支座和跨中截面的腹板厚度分別為90 cm和45 cm，在1/4跨處一次性變化，頂板厚度均為25 cm。鋼絞線配置為全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，負(fù)彎矩區(qū)在頂板布置36束鋼絞線，中跨正彎矩區(qū)在底板布置12束鋼絞線，邊跨正彎矩區(qū)在底板布置10束鋼絞線，中跨和邊跨合龍段各在頂板布置4束鋼絞線，所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線束規(guī)格均為19孔φs15.2鋼絞線，fpk=1860MPa。

新型鋼底板和波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋方案，設(shè)計(jì)思路以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高抗震性能并優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形為指導(dǎo)，其橋面寬度不變，合理減小支座和跨中截面梁高。經(jīng)研究確定梁高變化仍然采用1.6次拋物線變化，支座處梁高在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上減小1 m取6 m，跨中處梁高在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上減小0.2 m取2.5 m，底板負(fù)彎矩區(qū)和正彎矩區(qū)分別采用厚度為40 mm和50 mm的Q345qD鋼底板。為增加截面抗彎剛度，改善鋼底板應(yīng)力狀態(tài)，在負(fù)彎矩區(qū)鋼底板上鋪設(shè)C50混凝土，厚度為支座處80 cm，采取1.6次拋物線向跨中逐漸減小，至負(fù)彎矩區(qū)結(jié)束處厚度為50 cm，截面構(gòu)造如圖1所示。由于波形鋼腹板優(yōu)越的抗剪性能和鋼底板優(yōu)越的抗拉性能，不再布置腹板筋和底板筋，在負(fù)彎矩區(qū)橋面板布置預(yù)應(yīng)力鋼絞線20束，并適當(dāng)外延使預(yù)應(yīng)力漸變，所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線束規(guī)格仍均采用19孔φs15.2鋼絞線，fpk=1860MPa。新型連續(xù)組合梁橋配筋方案如圖2所示。

圖1 新型連續(xù)組合梁橋截面構(gòu)造(單位：cm)

圖2 新型連續(xù)組合梁橋配筋(單位：cm)

參考DB 44/T 1393-2014《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》［2］，建議40～150 m跨徑連續(xù)梁宜選用20 mm厚度1 600型波形鋼腹板，波形鋼腹板相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

圖3 波形鋼腹板尺寸選型(單位：mm)

2 有限元模型建立

由于波形鋼腹板沿梁軸線彈性模量較小加之鋼腹板本身截面積又很小，基本不能承受軸力，因此波形鋼腹板對(duì)箱梁的抗彎貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)［3-4］。對(duì)于波形鋼腹板本文采取的處理方式為取波形鋼腹板厚度的0.1倍，將波形鋼腹板等效為直鋼腹板，得到設(shè)計(jì)等效截面。采用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行建模，CAD導(dǎo)入設(shè)計(jì)等效截面，用PLANE法生成混凝土橋面板和鋼底板上鋪設(shè)的混凝土板，用LINE法生成直鋼腹板和鋼底板，建立的設(shè)計(jì)等效截面如圖4所示，接著進(jìn)行截面特性計(jì)算，建立模型，如圖5所示。

圖4 等效模型支座處截面

圖5 Midas/Civil模型截面編號(hào)

3 混凝土橋面板計(jì)算分析

計(jì)算采用承載能力極限狀態(tài)荷載組合：1.2恒載+1.4活載。由Midas/Civil有限元軟件計(jì)算導(dǎo)出新型連續(xù)組合梁橋在荷載組合作用下混凝土橋面板應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力如圖6所示，最小應(yīng)力如圖7所示。由于全橋采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，這里只顯示全橋左半對(duì)稱部分應(yīng)力值(鋼底板計(jì)算分析同理)。由計(jì)算結(jié)果可以看出混凝土橋面板邊跨梁端局部存在拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值很小，橋面板基本處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值為21 MPa，小于C50混凝土的抗壓設(shè)計(jì)值。

圖6 混凝土橋面板最大應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 混凝土橋面板最小應(yīng)力(單位：MPa)

4 鋼底板計(jì)算分析

鋼底板在荷載組合作用下的最大應(yīng)力如圖8所示，最小應(yīng)力如圖9所示。在中支座正彎矩區(qū)受壓，其中最大壓應(yīng)力為69 MPa，在邊跨和跨中正彎矩區(qū)受拉，其中最大拉應(yīng)力105 MPa。最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均小于Q345qD鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

圖8 鋼底板最大應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 鋼底板最小應(yīng)力(單位：MPa)

同時(shí)，負(fù)彎矩區(qū)不鋪設(shè)C50混凝土，鋼底板在荷載組合作用下的最大應(yīng)力值如圖10，最小應(yīng)力如圖11所示。兩種情況下中支座處負(fù)彎矩區(qū)鋼底板最大壓應(yīng)力分別為180 MPa和205 MPa，鋼底板均處于較高應(yīng)力狀態(tài)，安全儲(chǔ)備低，說(shuō)明在負(fù)彎矩區(qū)鋼底板上鋪設(shè)混凝土是必要的。

圖10 不鋪設(shè)混凝土鋼底板最大應(yīng)力(單位：MPa)

圖11 不鋪設(shè)混凝土鋼底板最小應(yīng)力(單位：MPa)

5 波形鋼腹板抗剪計(jì)算分析

波形鋼腹板抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度和剪切屈曲長(zhǎng)細(xì)比的關(guān)系曲線圖得到，判斷橋梁構(gòu)件是否滿足抗剪強(qiáng)度要求。對(duì)于波形鋼腹板的整體屈曲、局部屈曲等，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了許多理論公式的推導(dǎo)，本文采用聶建國(guó)等人［5］提出的建議公式近似計(jì)算波形鋼腹板彈性剪切屈曲強(qiáng)度：

其中波形鋼腹板彈性局部剪切屈曲強(qiáng)度τL，el和彈性整體剪切屈曲強(qiáng)度τG，el已有相關(guān)明確計(jì)算公式：

當(dāng)波形鋼腹板為四邊簡(jiǎn)支時(shí)，局部剪切屈曲系數(shù)的整體剪切屈曲系數(shù)計(jì)算公式為：

由Midas/Civil軟件計(jì)算導(dǎo)出新型組合連續(xù)梁橋剪力計(jì)算值，腹板抗剪驗(yàn)算結(jié)果以劃分截面編號(hào)處彈性剪切屈曲強(qiáng)度給出，如表1所示。經(jīng)抗剪驗(yàn)算，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 腹板抗剪驗(yàn)算

6 變形計(jì)算分析

通過(guò)Midas/Civil有限元軟件計(jì)算出全橋活載作用下變形，如圖12所示。在撓度驗(yàn)算中，活載變形為主要考慮因素，活載最大變形值出現(xiàn)在跨中，最大值為6.7 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖12 鋼底板和波形鋼腹板連續(xù)組合梁活載變形(單位：cm)

同等跨度與寬度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋活載作用下變形如圖13所示，最大變形值為4.6 cm。比較二者變形，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁活載作用下跨中撓度小于新型連續(xù)組合梁橋。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力混凝土，其截面抗彎剛度大于新型連續(xù)組合梁橋鋼-混組合截面抗彎剛度。雖然新型連續(xù)組合梁橋的跨中撓度大于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，但是變形滿足正常使用極限狀態(tài)要求，且鋼-混組合截面的采用能有效解決預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋長(zhǎng)期使用跨中下?lián)系葐?wèn)題。

圖13 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁活載變形(單位：cm)

7 與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案的工程量比較

從材料用量上講，兩種橋型材料用量統(tǒng)計(jì)如表2所示，新型組合連續(xù)梁橋與原設(shè)計(jì)相比，增加Q345qD鋼板用量877.55 t，節(jié)約混凝土用量約48.67%，節(jié)約預(yù)應(yīng)力鋼絞線用量約81.73%，減輕上部梁體自重約39.42%，使上部梁體結(jié)構(gòu)更輕，同時(shí)能減少下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)材料用量，顯著提高結(jié)構(gòu)抗震性能。同預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋相比，新型鋼底板波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋有較大優(yōu)勢(shì)。

表2 兩種橋型材料用量 t

從施工過(guò)程工程量上講，傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋采用平衡懸臂施工，施工過(guò)程需要搭建掛籃、混凝土澆筑模板?；炷列屡f節(jié)段收縮徐變不均易導(dǎo)致施工懸臂下?lián)?，組合梁的采用則可以采取先工廠預(yù)制鋼梁，現(xiàn)場(chǎng)吊裝后再澆筑混凝土橋面板預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔養(yǎng)護(hù)完成后統(tǒng)一張拉，混凝土橋面板整體性好，施工過(guò)程又好又快且?guī)缀醪挥绊憳蛳陆煌ā?/p>

8 結(jié)論

(1)本文完成(62+105+62)m高速公路新型鋼底板和波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)，計(jì)算采用有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行建模。計(jì)算時(shí)采用0.1倍厚度直鋼腹板等效代替波形鋼腹板，符合“擬平截面假定”，對(duì)波形鋼腹板進(jìn)行折減計(jì)算。驗(yàn)算結(jié)果表明新型鋼底板和波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)具有可行性。

(2)由于采用高效抗剪的波形鋼腹板鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)減輕結(jié)構(gòu)自重，計(jì)算結(jié)果表明新型鋼底板和波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋相比，頂?shù)装迨芰π问礁雍侠?，充分發(fā)揮了鋼和混凝土兩種材料受力優(yōu)勢(shì)。

(3)新型連續(xù)組合梁橋在跨中采用鋼底板代替混凝土底板，可規(guī)避的跨中底板預(yù)應(yīng)力筋的配置，混凝土用量約48.67%。合理的使用混凝土板，減小由混凝土收縮徐變對(duì)跨中下?lián)蠋?lái)的影響，可為解決傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋長(zhǎng)期使用跨中下?lián)蠁?wèn)題提供更多選擇。

(4)新型連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)可將原設(shè)計(jì)支座處截面梁高降低1 m，跨中處梁高降低0.2 m，使結(jié)構(gòu)外觀更加輕盈明快。且波形鋼腹板的采用，在光線下產(chǎn)生明暗波紋，使得結(jié)構(gòu)外觀更加美觀。

(5)通過(guò)對(duì)兩種橋型上部結(jié)構(gòu)的材料用量和工程量對(duì)比，新型連續(xù)組合梁橋適用于工業(yè)化預(yù)制，可加快施工，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。同時(shí)改善了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋澆筑節(jié)段多、現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)掛籃施工復(fù)雜等問(wèn)題，綜合效益好，適合實(shí)際生產(chǎn)。相信新型鋼底板波形鋼腹板連續(xù)組合梁橋未來(lái)會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。