波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的设计与施工

刘红科

(山西诚达公路勘察设计有限公司，山西太原 030006)

1986年，法国工程师最先采用波形钢板代替原有的混凝土或钢的直腹板，建成跨度为31m+43m+31m的波形钢腹板组合箱梁桥，从而出现了波形钢腹板的概念。对传统的预应力混凝土箱梁，采用10mm左右厚的波形钢板替代原始的混凝土腹板，同时应用体外预应力钢索，从而形成波形钢腹板预应力混凝土箱形梁。

波形钢腹板预应力混凝土箱形梁具有独特的受力优势［1］。在材料用量方面，波形钢腹板的采用大幅度减轻了上部结构的自重，减少了混凝土、预应力钢材、钢筋用量，并使下部结构的工程量获得减少，从而降低了工程总造价;在材料利用率方面，将钢和混凝土两种材料结合使用，提高了材料利用率，也有效地提高预应力效率;在抗震性能方面，减轻了桥梁自重，提高了抗震性能;在施工制造方面，由于减轻自重而减少了节段数量，缩短了工期，体外预应力束的布置避免了在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺，加快了施工进程;在后期维护方面，体外预应力索可能会出现一些损伤(如磨损或断裂)，可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，便于桥梁的维修和补强;在结构耐久性方面，波形钢腹板的采用避免了混凝土板收缩、徐变引起的次内力，避免了传统混凝土腹板的开裂、钢筋腐蚀等问题，也减少了由此引起的预应力损失，提高了结构的耐久性。鉴于波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥的诸多优点，世界各国的研究人员对波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥的抗弯性能、抗扭、抗剪和稳定性展开了研究。波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥在桥梁工程中的应用也越来越广，如法国建造的世界上第一座波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥——Cognac桥、德国的 Altwipfergrund桥、挪威的 Tronko桥、委内瑞拉的Caracas桥和日本的矢作川斜拉桥等，见图1［2］。

迄今为止，我国也对波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥展开了研究工作，并修建了若干波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥，如东南大学设计的江苏淮安的长征人行桥，该桥为18.5m+30.5m+18.5m的3跨连续梁，采用支架现浇施工建设而成;由河南省交通规划勘察设计院设计的卫河大桥，该桥为47m+52m+47m的现浇预应力混凝土波形钢腹板组合箱梁，横截面为单箱三室;由河南海威工程咨询有限公司设计的鄄城黄河公路大桥，该桥为(70+11×120+70)m变截面波形钢腹板PC组合连续箱梁桥，采用悬臂施工方法进行施工。

为了波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥的合理设计及建设，针对波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥结构特色的设计分析及施工制造要点探讨是必不可少的。

1 波形钢腹板预应力混凝土梁桥的设计分析

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的总体受力与预应力混凝土箱梁类似，故总体设计计算可用通用桥梁设计软件完成。从国内外已建成的波形钢腹板箱梁桥来看，无论是结构形式、预应力体系，还是施工工艺，波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥都有其独到之处(见图2)。

首先，关于波形钢腹板的剪切屈服、剪切屈曲问题，我国现有桥梁设计通用软件无此项内容，故需参考其他有关规范、标准另行计算。波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故可以认为波形钢腹板不承受轴向力。在设计时，近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担。波形钢腹板主要作用在于抗剪，故波形钢腹板的厚度与形状取决于抗剪强度与剪切屈曲稳定性的需要。

其次，波形钢腹板预应力混凝土箱梁通常采用体内、体外预应力索并用的方式［3］。通常，在混凝土顶板、底板中配置纵向预应力筋，用以抵抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束，通过转向块来转向并最终锚固在横隔板上，实现曲线或折线配筋，以体外索来承担外荷载的作用。

最后，波形钢腹板节段之间的连接也是设计要点之一，关于钢板与混凝土顶、底板的连接属钢—混凝土组合结构设计内容。钢板与混凝土顶、底板的连接设计必须考虑到钢材和混凝土材料之间发生的纵向水平剪力能否得到有效控制。通常，波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接有三种方式:1)把腹板上下端焊接翼缘板并配置连接件，如钢板上焊接剪力钉，再与混凝土板结合在一起;2)将腹板直接伸入到混凝土翼板中埋入式连接，即在波形钢板上打孔，穿过钢筋，将纵向钢筋埋入混凝土;3)由以上两种连接件组合而成的复合型连接件。

2 施工制造特点

波形钢腹板预应力混凝土箱梁最基本的施工方法是采用挂篮悬拼，随着技术的进步，目前在波形钢腹板预应力混凝土箱梁施工中利用波形钢腹板作施工受力构件，提出了所谓的Rap.con/RW施工法和利用波形钢腹板作导梁的顶推施工法。传统挂篮悬拼施工法仅限n节段波形板安装、立模、配筋、混凝土浇筑、预应力均在n节段进行，施工作业面受限，周期长。此时，挂篮较重，施工节段重量较小，力臂较大，波形板不承担施工荷载。Rap.con/RW施工法作业区扩大到n－1，n，n+1三个节段，n+1节段波形板安装、n节段底板施工、n－1节段顶板施工，三个作业面流水施工。此时，挂篮较轻，施工重量较大，力臂较小，波形板承受施工荷载。

波形钢腹板的波形尺寸的选择需要考虑加工、运输、安装等因素，节段施工时亦要考虑节段长度、腹板厚度的变化及节段间的连接等因素。波形钢腹板的制作工艺主要有冲压法和模压法。冲压法的压制设备费用较低，但由于板材需多次反折移动，对厚、重的大板受到制作难度的限制，压波作业效率低。采用模压法进行波形钢腹板制作时，可以缩短压制一个波长的时间。

3 结语

本文主要针对波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥，总结了其独特的受力优势和工程应用情况，分析了波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥独特的设计要点与施工关键技术。本文从波形钢腹板设计、体内与体外预应力索布置、钢腹板与混凝土板连接方式三方面分析了波形钢腹板预应力混凝土箱形梁桥独特的设计要点。目前，在波形钢腹板预应力混凝土箱梁施工中利用波形钢腹板作施工受力构件的挂篮悬拼法和利用波形钢腹板作导梁的顶推施工法，波形钢腹板的典型制作工艺包括冲压法和模压法。

［1］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］万 水，蒋正国，孟文节.波形钢腹板 PC箱梁桥的结构特点与施工［A］.第十五届全国结构工程学术会议论文集［C］.2006.

［3］朱长胜，苏灿旭.波形钢腹板PC组合箱梁在玉春桥中的应用研究［J］.山西建筑，2012，38(11):163-164.

［4］杨 明，孙 筠，张树仁，等.波纹钢腹板体外预应力箱梁桥的发展与展望［J］.公路交通科技，2006(12):8-10.