波形钢腹板在桥梁工程中的应用

马立通

(邢台路桥建设总公司)

波形钢腹板在桥梁工程中的应用

马立通

(邢台路桥建设总公司)

在体外预应力技术的日趋成熟以及新型建筑材料的飞速发展的今天,越来越多的国家已经加入到了对大跨径桥梁的主梁轻型化问题的研究当中。目前,钢混组合结构桥梁在欧美和日本都应用广泛,它的特点是充分利用了混凝土、钢二者的材料本身的优点。波形钢腹板PC组合箱梁即是它的产物,具有结构稳定性强、强度及材料使用效率高、外形美观,抗震性能好的特点。通过对波形钢腹板在桥梁工程的应用方面具体阐述我国在桥梁方面的发展与应用。

波形钢腹板;桥梁工程;箱梁;组合梁桥

1 引 言

20世纪 80年代时,法国率先实现了一种新型桥梁结构——波形钢腹板的应用。这种结构是以波形钢腹板代替混凝土腹板的新型组合型结构桥梁,即 Cognac桥,后来又建造出了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁。此后,这种桥在德、韩、日等国都得到了应用,其中以日本应用最多。从 90年代起,日本开始了对波形钢腹板型桥梁进行了大量的科学研究,使其技术得到了飞速发展,在借鉴了法国同类建筑的基础上,修建了一系列桥梁,如矢作桥、日见桥、新开桥、松木七号等。并且这其中包括连续梁桥、连续钢构桥、斜拉桥和部分斜拉桥,拓宽了此类桥梁的应用范围。

选择腹板波形的形式是应注意考虑以下几个方面:

(1)加工方法的难易;

(2)应力情况,是否引起应力集中;

(3)是否便于参数化建模,以利于后继的优化设计。

2 波形钢腹板的概述

2.1 桥梁波形钢腹板的形状和尺寸的特点

(1)除了采取预制节断梁并要求与邻桥梁高度的锅田高架桥以外,其他的所有桥梁的波形钢腹板段的宽度都是相同的;

(2)除锅田高架桥和最早建成的Cognac桥,波形高度与直板段或斜板段的宽度的比大致在 0.4～0.6之间;

(3)腹板的厚度往往钢板的最小厚度,最小厚度一般在8～9 cm。波形腹板厚度、梁截面高度与最大跨径的变化关系,除去极少数桥梁的跨中与墩上的截面高度、腹板厚度等同之外,跨中板厚与波形高度比约为 1∶20。

2.2 波形钢腹板的缺点

(1)波形钢腹板的主要点在于它较高的制作成本。

(2)较于普通的混凝土箱梁来说,波形钢腹板箱梁断面的抗扭曲钢度以及抗畸变刚度都有所下降。

(3)波形钢腹板的屈曲损坏较为突然,且常常在屈曲后段,其承载力大约下降到类似于平钢腹板的水平。

(4)如果波形钢腹板之间采用焊接连接,那么其竖向边缘焊接的数量较平钢腹板略有增加。

(5)由于波形钢腹板特殊的外形使其有较多的拐角,导致容易造成滞留泥沙的污染物,这样一来更容易遭到腐蚀。

2.3 波形腹板间的连接

由于波形腹板在加工、运输以及施工上的特殊要求,一般在纵桥方向的都会分割成段,然后再在施工现场加以拼装。其连接方式大致有焊接和高强度螺栓两种。波形腹板跟普通的平钢板间的连接不同,即当纵桥向刚度相对很小、不需要承担轴力、只需要考虑怎样有效承担剪力。由于腹板是由坡口焊对接上的,因此在强度方面完全不用担心,同时这种方法又不乏美观,但是在施工方面并不是最好的实施选择方案。

2.4 波形钢腹板与混凝土顶底板的连接

波形钢腹板组合梁常常是在波形钢腹板的上端部和下端部焊制连接钢制翼缘板,其上焊接剪力钉,将之和混凝土板结合在一起,这种剪力键仅仅由栓钉抗剪。此外还有一种新型的建立连接件——嵌入式,它的特点是采用了钢腹板上穿孔的方式,穿过横向贯穿的钢筋,然后再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后掩埋混凝土板的方法。这种方式避免了焊缝连接中常常会出现的焊缝疲劳的疑难问题。波形钢腹板因其特殊的形状,为斜向钢板在承受水平剪力时提供了很有利的条件。

3 波形钢腹板的应用

3.1 波形钢腹板组合梁桥

波形钢腹板预应力混凝土组合梁结构是波形钢腹板组合梁桥的全称,它是一种新开发出的钢一预应力混凝土组合结构。这款组合梁的优势在于大大减少了腹板的厚度,从过去的厚度为 30～80 cm的混凝土腹板,改为仅有 12mm左右厚度的弯折钢板。这也就自然减轻了箱梁的自重(减轻约20%),同时也减少了材料的用量,因为不再需要混凝土腹板,更减少了模板和钢筋的拼装与拆除工作,大大缩短了工期。

3.2 波形钢腹板组合梁桥的构造特点

(1)结构特点。

就目前而言,已经建成的波形钢腹板组合型梁桥,其主要截面形式可大致分为两种,一种是箱型截面,另一种是工字型截面。箱型截面是指两片波形腹板倾斜放置,而工字型截面则是一片波形钢腹板竖直放置,二者其余构造类似。比较来看,大多数波形钢腹板预应力组合梁桥还是采用了箱型截面,也就是波形钢腹板 PC组合箱梁。

(2)与预应力混凝土箱梁桥相比的优点。

①自重减少,增强了抗震的性能。由于腹板采用了较轻的波形钢板,其桥梁本身的自重较之于普通的预应力混凝土箱梁桥便大为减轻,因而地震激励作用的效果有明显的降低,其抗震性能自然有明显的提高。

②节省建筑用材,节省建筑成本。以波形钢腹板代替厚且重的混凝土腹板,这样就大大降低的上部结构的自重,同时增大了桥梁跨度径长并且减少了下部结构的工作量,最终降低了整体工程的造价。

③通过改变结构与性能,提高预应力的效率。由于波形钢腹板的的纵向刚度很小,无法抵抗轴向力,因而当导入预应力时并不受抵抗,其纵向预应力则可以集中加载于上、下两翼板,有效提高了预应力效率。

④材料选取巧妙,充分利用材料特性,将效率发挥到最大化。混凝土坚固,可以抗弯;波形钢腹板外形奇特(腹板内的应力分布均匀,超于传统意义上的三角形),用来抗剪。

⑤截面回转半径增大,结构效率得到提高。在波形钢腹板PC箱梁桥中,混凝土时均匀集中于上下翼缘处的,其回转半径几乎能够增加到最大值点,这样有助于提高截面的结构面积利用率

⑥缩短工期,将成本降到最低。在该工程施工过程中,大量减少了模板、混凝土浇筑、支架等材料,避免了许多繁琐的工作流程,相反波形钢腹板可以工厂化批量生产,当场拼装即用,更是加快了作业速度。

⑦体外力筋可替换,便于日后桥梁的加强与维修处理工作。波形钢腹板 PC箱梁桥采用的是体外预应力,不可避免的在长期使用后体外预应力索出现断裂损坏,在这种情况下,也可以在夜间车辆较少时停止车辆通行后快速更换。

⑧免除了传统预应力混凝土箱梁桥受外力荷载以及混凝土收缩所造成的腹板开裂问题,其耐久性极强。

⑨桥梁是一种建筑,在某种意义上讲同样也是一门艺术。因此在注重了桥梁的质量、成本、应用效率的同时,也绝不能忽视它的造型。波形钢腹板恰恰就具备了这个优点,它造型美观,是桥梁整体呈现美感。不论是在繁华的城市,还是在幽静的景区,它都是很好的选择。

4 结 语

在桥梁建筑方面要紧跟科技步伐,在了解了国外各个优秀的桥梁设计与应用性能之后,切合我国实际情况,采取最合理的桥梁建筑策略,达到省时、省材料、省设施高质量的目标。实践证明,波形钢腹板在桥梁上的应用比混凝土梁在投资总额上有所减少,明显减轻自重。随着中国基础设施建设的大幅度前进,以及波形钢腹板 PC箱梁桥的研究应用的发展,这种桥会得到广泛的应用。

[1]徐强.波形钢腹板 pc组合箱梁桥设计与应用[M].人民交通出版社,2009:12.

[2]陈宜言.波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工[M].人民交通出版社,2009:208.

[3]孙立功,杨江朋 .桥梁工程[M].西南交大出版社,2008:56.

[4]董军.桥梁工程[M].机械工业出版社,2009:22.

[5]中国公路学会桥梁和结构工程分会 .面向创新的中国现代桥梁[M].人民交通出版社,2009:2.

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1008-3383(2010)06-0087-02

2010-02-11

马立通,男,助理工程师,研究方向:桥梁工程。