铁路预应力波形钢腹板简支T梁桥设计研究

文 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

目前，在普速铁路桥梁设计中大量采用了预应力混凝土简支T梁，梁重较大，跨度较小，且在抗震设防烈度较高地区的下部结构设计工程量也较大。因此，减轻上部结构的自重便成为首要问题。预应力波形钢腹板简支T梁桥是一种值得重视的新型桥梁形式，多为等截面形式，在结构形式上是对传统混凝土T梁桥的一种革新，采用波形钢腹板代替普通混凝土T梁的腹板，不但充分满足了腹板的力学性能要求，提高了材料的使用效率，更好的发挥了混凝土抗压，钢材抗拉、抗剪的优良特性，而且大幅度的减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载;波形钢腹板立面造型美观，吊装重力小，安装时不需要大型吊装设备，适应于预制架设。2005年，世界上第一座波形钢腹板T梁桥——曾宇川桥在日本建成，国内目前尚无成桥实例，本文对波形钢腹板T梁从设计的角度提出一些思路和想法，并将波形钢腹板T梁桥与时速200 km客货共线预制后张法简支T梁通桥(2005)2201系列梁进行技术指标对比，为波形钢腹板T梁桥的设计提供借鉴和参考。

2 波形钢腹板T梁桥的一般构造设计

预应力波形钢腹板简支T梁桥的典型构造，由混凝土顶板、混凝土马蹄、波形钢腹板、预应力体系和横隔板组成，由于混凝土顶板与传统混凝土T梁桥类似，本文主要详细讲述混凝土马蹄、波形钢腹板构造、剪力连接件构造、预应力体系、横隔板构造方面的设计思路。

波形钢腹板简支T梁桥的跨径选用铁路常用的16、20、24、32 m四种，T梁截面与波形钢腹板的一般构造如图1所示，顶板和马蹄尺寸参照通桥(2005)2201梁图，并考虑钢束布置和与钢腹板连接计算拟定，波形钢腹板尺寸参照日本已建成的几座波形钢腹板简支T梁桥拟定，16、20、24 m T梁参照曾宇川桥，32 mT梁参照新开桥，具体尺寸如表1所示，表中字母含义参见图1。

图1 T梁截面与波形钢腹板的一般构造(单位:mm)

表1 波形钢腹板T梁桥腹板尺寸 mm

2.1 波形钢腹板马蹄

由于波形钢腹板T梁的预应力筋无法布置在腹板内，既要保证马蹄与波形钢腹板的可靠连接，又要保证有足够的空间布置预应力筋，因此其马蹄尺寸一般要比普通T梁的马蹄尺寸大，通过计算后确定的马蹄尺寸如图1所示。

2.2 波形钢腹板T梁桥的腹板构造

如何确定波纹钢腹板的形状，是设计中的关键问题之一。不同的波形钢腹板形式，对于梁体的受力有很大的影响。2001年，马来西亚学者Chan、Khalid等人针对工字钢梁腹板采取不同折叠方式情况下，对梁的承载力进行了有限元分析和模型试验［1］，其腹板分别采用纵向波形和横向波形，结果表明采用纵向波形钢腹板梁的承载能力明显较大。埃及扎加齐克大学Eldib等人通过数值分析以及结合前人所进行的试验数据，对考虑材料非线性的曲线型波形钢腹板的抗剪性能进行了分析［2］，结果表明，曲线型波形钢腹板比常用的梯型波形钢腹板抗剪强度更高，为水平波形钢腹板梁和平钢腹板梁承载力的1.8～2.1倍。在相同跨径和相同荷载下，采用曲线波形形状的钢腹板梁的自重可比平钢腹板梁减小10%左右。但是出于加工的技术要求，曲线波形并没有得到很好的应用。因此对于波形钢腹板T梁桥，采用纵向梯形波形的形式，如图1所示。

2.3 剪力连接件构造

在波形钢腹板T梁桥设计中，波形钢腹板与混凝土顶底板的连接是设计的关键环节，它直接关系到整个组合梁的受力性能。结合部的设计必须保证能够有效地传递钢腹板和混凝土材料之间的水平剪力，保证其发挥组合效应。

抗剪连接件可以分为刚性连接件和柔性连接件两类［3-7］，这里采用柔性剪力连接件形式:栓钉连接件，即在波形钢腹板的上下端部焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起，此剪力件仅由栓钉抗剪，受力性能好，施工方便，可靠性高，适合于铁路桥梁大规模的预制架设。栓钉直径采用22 mm，栓钉长度采用20 cm，经对栓钉抗剪计算，满足设计强度要求。

2.4 波形钢腹板T梁桥的预应力布置

对于波形钢腹板T梁桥，在跨径较小时，可以仅通过布置一定的底板束，即可达到合理的成桥状态。但是随着跨径的增大，在支座附近必然使顶板产生较大的拉应力，而且由于波形钢腹板的存在，使得底板束弯起存在一定的困难，因此，采用体内体外混合配束成为解决这一问题的常用方法。在设计体内、体外预应力时，将体内预应力设计成能够满足恒载的承载，体外预应力只担负活荷载的承载［8-10］。这样，即使在长期运营后，体外钢索出现磨损与断裂时，也可以临时中断线路运行后更换体外钢索，以延长桥梁的使用寿命。体外钢索采用集中方式配置，钢索锚固在端横隔梁，通过转向块和横隔板达到转向的目的。

由于本次铁路T梁研究范围最大跨度为32 m，跨度较小，经对32 m T梁配束计算发现只需配置一定的底板束即可满足结构受力要求，钢束采用φs15.2－19，断面布置如图1所示。

2.5 波形钢腹板T梁桥的横隔板构造

横隔板保证各片T梁相互联接成整体，使荷载横向分布趋于均匀，横隔板数量越多，刚度及整体性越好，同时可以增加T梁在制造、运输、安装过程中的稳定性。

本文尝试提出了几种波形钢腹板T梁的横隔板形式，可以分为混凝土横隔板和钢结构横隔板。混凝土横隔板又可以分为整体横隔板和部分横隔板。钢结构横隔板分为钢板式横隔板与钢框架横隔板，如图2～图5所示。

图2 整体混凝土横隔板

图3 部分混凝土横隔板

图4 钢板式横隔板

图5 钢框架横隔板

整体横隔板的优点是刚度大，约束作用强，桥梁整体性能好，缺点是自重大，增加了桥梁的恒载;部分横隔板增加的自重较少，缺点是约束作用差，与钢腹板连接薄弱;钢板式横隔板整体性好，能够保证桥梁共同受力，缺点是钢材使用量大，成本较高;钢框架式横隔板受力明确，材料利用率高，缺点是横隔板刚度较弱，容易引起应力集中，连接节点复杂。

混凝土横隔板与波形钢腹板的连接可以通过在波形钢腹板表面焊接剪力钉的方式，此种连接方式技术成熟，应用广泛，缺点是存在焊接残余应力，抗疲劳性能差;也可以通过钢板开孔埋设贯穿钢筋的方式，此种方式优点是横向横隔板连接牢固，缺点是削弱了钢板的抗剪面积。钢结构横隔板，可以通过节点板利用高强螺栓与钢腹板相连。

3 波形钢腹板T梁与普通混凝土T梁的技术指标对比

为了了解波形钢腹板T梁结构特点，研究了波形钢腹板T梁的各方面特性，并与普通预应力混凝土T梁桥对比，普通预应力混凝土 T梁桥仍选用通桥(2005)2201系列梁。

首先，对普通混凝土简支T梁和钢腹板T梁自重进行分别计算，混凝土容重取26.5 kN/m3，钢材容重取78.5 kN/m3，将混凝土腹板替换成波形钢腹板后，钢腹板T梁自重减轻为普通混凝土简支T梁的80%左右，减少较为明显。

其次，比较2种T梁的力学特性，采用Midas Civil有限元软件进行建模计算，普通混凝土简支T梁采用梁单元，波形钢腹板T梁按空间建模，顶板和马蹄采用实体单元，钢腹板采用板单元。计算抗弯刚度时，分别建立16、20、24、32 m的普通混凝土简支T梁和波形钢腹板简支T梁有限元模型，计算在相同的荷载作用下其挠度的比值来计算其抗弯刚度的相对比值。同样计算其抗扭刚度时，建立不同跨径的4组模型，使其梁端一端固定，另一端自由，在自由端施加相同的扭距，通过扭转角的比值计算其抗扭刚度的相对比值。计算抗剪刚度时，使其梁端一端固定，另一端自由，在自由端施加相同的竖向力，所得梁端位移减去弯曲的影响，考察其剪切位移的变化，计算其抗剪刚度的相对值。共建立3组有限元模型，在梁端分别施加100 kN·m的弯矩、100 kN·m的扭矩和100 kN的剪力，相应的响应见表2。

表2 各模型的位移响应

从表2可以看出，腹板换成波形钢腹板后，抗弯刚度因为波形钢腹板在桥轴向的刚度非常小，它基本上不能承受轴力和弯矩，因此只考虑了顶板和马蹄的抗弯，下降为原来的75%左右，需通过增加预应力效应或者适当增加梁高来满足结构的受力要求;抗扭刚度下降较多，设计时应考虑加强各单片T梁之间的横向连接;抗剪刚度波形钢腹板也下降较多，因为波形钢腹板T梁的剪力绝大部分是由很薄的波形钢板来承担，尽管钢板的剪切模量约是混凝土的10倍左右，但它提供的抗剪面积却小很多，因此在设计波形钢腹板T梁桥时计算位移时应考虑剪切变形的影响。

4 结语

波形钢腹板混凝土组合简支T梁桥为一种新型组合结构桥梁，用波形钢腹板代替传统的混凝土腹板，实现了主梁轻型化，减少了下部工程量，另外还具有预应力效率高、经济性好、造型美观等优点，适用于工业化预制和快速施工，因此具有良好的经济技术优势和广阔的发展空间。

［1］C.L.Chan，Y.A.Khalid，B.B.Sahari，A.M.S.Hamouda.Finite element analysis of corrugated web beams under bending［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58(11):1391-1406.

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