浅谈波形钢腹板PC桥的设计与施工

2012-06-30袁智煦汪元锋

湖南交通科技 2012年3期

袁智煦，汪元锋

0 前言

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥即用波形钢腹板替代原始的混凝土腹板建成的箱梁桥，简称波形钢腹板PC桥。波形钢腹板最早在20世纪80年代被法国应用到桥梁建设中，并建成了世界上第一座波形钢腹板箱梁桥——Cognac桥。近年来，该技术在日本得到了广泛应用。随着科研和实践工作的不断深入，波形钢腹板PC桥已成为日本高速公路的推荐桥梁形式，在建、已建桥梁已超过200座，成为目前修建此类桥梁最多的国家。

中国自1998年开展波形钢腹板组合箱梁的力学特性等研究以来，对这种结构的抗弯、抗剪、扭转与畸变，波形钢腹板参数设计、屈曲特性、抗剪连接件设计与分析、桥面板的有效分布宽度、剪力滞效应、结构动力学特性和桥梁设计与建造等问题有了一定的认识，但仍未形成系统的规范和标准［1］。目前我国波形钢腹板PC桥的设计与施工主要参照日本的设计施工经验，并于2005年成功建成国内第一座波形钢腹板PC组合箱梁人行天桥——江苏淮安长征人行桥，之后相继建成河南光山泼河大桥、河北邢台郭守敬桥、山东鄄城黄河大桥、深圳南山大桥等20余座波形钢腹板PC箱梁桥。

1 波形钢腹板PC桥的设计要点

1.1 结构特点

在波形钢腹板PC桥中，波形钢腹板取代了预应力混凝土箱梁中的混凝土腹板，将钢和混凝土两种不同的材料组合起来，提高了结构的稳定性、强度和材料的使用效率，是一种经济、高效、施工简单的新型桥梁形式［2］。其结构特点体现在以下几个方面:

1)用8～30 mm厚的波形钢腹板取代了以往厚度为30～80 mm的混凝土腹板，减轻了约30%的箱梁自重，增大了桥梁跨度及减少了下部结构的工作量，降低了工程成本。

2)用轻型钢腹板代替厚重的混凝土腹板，明显降低了地震的激励效果，抗震性能显著提高。

3)波形钢腹板的纵向刚度很小，基本不承受轴向力，因其具有褶皱效应，不抵抗预应力的导入，不约束上、下翼板混凝土的徐变、干燥收缩变形，从而提高预应力效率，减少预应力材料的浪费。

4)充分发挥了波形钢腹板的抗剪特性以及混凝土的抗弯特性，结构受力合理，提高了材料的应用效率。

5)采用体外预应力筋，简化了预应力筋的埋设工艺，且体外预应力筋易于更换和增减，方便桥梁的维修及补强。

6)波形钢腹板外形美观，易与周围环境相协调，提升了桥梁的艺术感。

1.2 力学假设

在对波形钢腹板箱梁进行剪切屈曲计算时，忽略波形钢腹板的纵向抗弯作用、波形钢腹板与顶、底板之间的滑移以及钢腹板的竖向压缩变形。波形钢腹板由于褶皱效应，纵向抗拉压刚度很小，不承受纵向弯矩作用，弯矩由混凝土顶、底板承担，而剪力则完全由钢腹板承担，且剪应力在腹板上均匀分布。断面抗拉压面积、抗弯矩计算仅考虑混凝土顶、底板的作用，在竖向荷载作用下正弯曲平截面假定成立［3］。

1.3 设计要点

目前国内对波形钢腹板的研究处于起步阶段，设计中仍有诸多问题需要进一步研究。设计波形钢腹板箱梁时，主要考虑以下几个方面:

1)波形钢腹板波形尺寸的选择。

波形钢腹板的几何参数主要包括:波形钢腹板高度、厚度、钢腹板波长、波高、斜向角以及桥轴方向幅宽。研究表明，在波形钢腹板不同几何参数中，对预应力效率影响最大的是波高，其次是波长。波形钢腹板厚度、波形钢腹板高度对预应力效率几乎没有影响，在波形钢腹板箱梁设计中可以不考虑二者的影响［4］。

2)波形钢腹板的剪切屈曲形式及屈曲强度的计算。

波形钢腹板的剪切屈曲形式有三种:局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲。目前国内外关于波形钢腹板屈曲强度的计算，理论公式大部分是在结构处于完全弹性假定下获得的，而对于非弹性范围，得到的多是一些经验公式。

3)波形钢腹板与混凝土上、下翼板的连接方式。

波形钢腹板与混凝土上、下翼板的连接是该结构最重要的设计内容，直接关系到整个组合结构的承载能力，其连接方式通常有栓钉连接、埋入式连接、S—PBL连接以及 Twin—PBL连接等(如图1所示)。对作用于连接部的水平剪力(桥轴方向)和弯矩(与桥轴垂直方向)，当荷载达到设计荷载以及极限荷载时，应验算其安全性，验算标准为作用的剪力和弯矩应小于连接件的容许值以及极限屈服强度。

2 波形钢腹板PC桥的施工要点

波形钢腹板箱梁的施工与普通混凝土箱梁的施工不同，应主要注意以下几个方面。

2.1 波形钢腹板的制作与运输

波形钢腹板外形有很多拐角，导致容易夹杂泥沙等污染物，容易遭到腐蚀，因此波形钢腹板在制作过程中应对其进行防腐处理。波形钢腹板的尺寸对预应力效率影响较大，在制作过程中应严格控制板的尺寸，在保证波长、波高满足设计要求的同时，还要注意对钢腹板的边角进行保护，防止边角不进行翘曲。在运输过程中应对防腐涂装采取保护措施，波形钢腹板运输储存时可多层叠加，层数不超过5层，每层钢板支撑在与其外形相同的木或混凝土存放垫上［2］。

图1 波形钢腹板与混凝土上、下翼板的连接方式

2.2 波形钢腹板的连接

波形钢腹板之间的连接通常采取焊接的方式，当所有焊接完成时，需对变形超差部分进行矫正，并按照施工图对平面尺寸和标高进行检查，焊接质量(屈服强度，抗拉强度，低温冲韧性等)需满足规定值。波形钢腹板与混凝土上、下翼板间的连接，通常是在波形钢腹板的两端焊接钢制翼缘板，在翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板连接在一起。还可以将钢筋贯穿钢腹板，再在钢腹板的上下端焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板。

2.3 波形钢腹板的安装定位

首块钢腹板的精确定位极其重要，将直接影响后续钢腹板定位的准确性。对于钢腹板的水平定位，可在钢腹板外侧贴合特制的波形挡板，内侧以内模为基准设置定位撑，在钢腹板前端的临时连接螺栓孔之间设螺杆的定尺厚壁钢管，由上、下两道内撑外拉固定［5］。至于钢腹板的高程定位，可在翼缘模板上设定位架，分别在每块钢腹板的前后端正上方挂倒链葫芦，手动精确调整，板底部前后端用小型钢通过垫块撑于底模上进行定位加固。首块钢腹板安装完成后，应对其平面位置及高程进行检查，合格后方进行后续钢腹板的安装。

2.4 预应力筋的铺设与张拉

波形钢腹板预应力筋分为体内预应力筋和体外预应力筋两种。体内预应力筋在下混凝土翼板内按直线布筋，主要承担梁体自重以及施工时的荷重。体外预应力筋通过设置的中间转向块向支座上方弯起，主要承担后期恒载及活载作用［1］。预应力筋的铺设和张拉应严格按照施工图要求的顺序以及张拉控制力进行，体内预应力筋施工时应注意设置预应力钢束防崩钢筋，防崩钢筋必须勾住箱梁主受力钢筋。

2.5 混凝土的浇筑

波形钢腹板PC桥的混凝土浇筑与普通桥梁的混凝土浇筑一样，浇筑程序及养护应依照有关规范进行。浇筑完成后，应检查混凝土顶、底板的平整度和高程，满足设计要求后，方进行下一步施工。合龙段混凝土浇筑前应对合龙进行临时锁定，防止合龙段混凝土在施加预应力之前开裂。在合龙段两侧的一个梁段施工时，注意预埋临时锁定的预埋件［6］。