波形钢腹板PC组合箱梁抗剪与抗弯问题分析

盛久毅

【摘 要】纵观可知，体波形钢腹板PC组合箱梁隶属于一种新型的钢混组合结构，在法国以及日本等国家广泛普及应用，相较于传统意义上的预应力混凝土箱梁而言，此种结构优势包括受力明确且自身重量轻、施工周期相对较短且跨越能力较强、造型型态优美等；对比平钢腹板组合箱梁，其优势在于无需进行纵向加劲肋设置来预防腹板曲屈。在此，本文将针对波形钢腹板组合箱梁抗剪与抗弯问题进行简要分析。

【关键词】波形钢腹板 组合箱梁 抗弯 抗剪计算

1前言

近年来，波形钢腹板组合箱梁桥以其受力明确、经济、施工便捷、桥型美观等多个方面应用优势逐步得到我国工程界认可。目前，虽然我国对该种结构进行了一定的科学研究和工程应用，但相对于其它成熟的桥梁结构，不管是计算理论、还是实践经验都有待进一步完善。

波形钢腹板组合箱梁是将混凝土腹板以波形钢腹板来取代，再经抗剪连接件将其同混凝土的顶板、底板连结在一起的一种新型结构，其主要由以下几部分构成，分别为波形钢腹板、体内外预应力筋以及混凝土顶底板和横隔板等。由于波形钢腹板对轴向力几乎没有抵抗，因而混凝土顶板以及底板所承受的预加力较多。另外，当箱梁的顶板或底板受干燥收缩、徐变后，波形钢腹板对由此造成的变形约束力有限，这样使得预应力损失大大降低。同时，波形钢腹板组合箱梁在桥梁施工中有着广泛应用与发展，但不足之处在于，尚无具体的桥梁设计可参照的统一规范和标准。为此，本文将针对波形钢腹板组合箱梁抗剪及抗弯问题进行探讨。

2 波形钢腹板组合箱梁简述

波形钢腹板其最早来源于集装箱卡车，通过采用波形折板来加强集装箱的侧板刚度。随后，研究人员经过不断研究波折形状的有关参数，最终得以将研究成果在桥梁施工组合箱梁中实现应用。相较于混凝土腹板箱梁，最大的改变就是把波形钢腹板用在了桥梁工程中，避免了长久以来大量混凝土箱梁腹板开裂问题。冷弯加工是制造波形钢腹板的主要工艺，因而制作过程中必须确保钢材的抗冲击性和韧性。

直板段和斜板段是波形钢腹板的主要组成部分。由图1可知，直板段的长度即 以及斜板段的长度 、波高 和板厚 是几个重要的参数。最大剪力决定了波形钢腹板板厚程度，通常桥梁施工中所用的波形钢腹板其板厚度至少在8毫米及以上。

通过对比传统预应力混凝土箱梁与平钢腹板组合箱梁、槽形截面钢箱梁+混凝土桥面板等，波形钢腹板PC组合箱梁的竞争优势为：自重较低且可实现良好抗震，受力明确，可将材料性能充分发挥；使用体外索可实现便捷替换有利于维修补强，预防腹板开裂并具有良好耐久性；抗剪承载力大大增强，不设置纵向加劲肋进而实现腹板厚度的减小，混凝土徐变收缩以及温度变化不会对截面应力重新分布产生较大影响；三维柔韧性良好可实现腹板便捷装配；所需使用的钢材数量相对较少，对应造价明显降低；在连续刚构以及连续梁等拥有正负弯矩交替的结构中更为适用，预应力加载效率提升。

3波形钢腹板组合箱梁抗剪、抗弯与疲劳特性

3.1抗弯

受轴向力的影响，波形钢腹板能产生巨大变形，这时钢板的弹性模量（用E表示）同实际的轴向弹性模量（用EX表示）比起来要大。为研究波形钢腹板的有效弹性模量，选取一单位波长波形钢腹板，用H表示波形钢腹板的高度；h表示波峰和波谷的高度差，即波高；t表示钢板厚度。

根据虚功原理，可以获得受外荷载作用时钢腹板轴向变形公式 ，

轴向力P作用于波形钢腹板的弯矩[1-2]，如图2所示。

波形钢腹板轴向变形为： （1）；等长度平钢板轴向变形为， （2）。其中，波形钢腹板抗弯惯性矩为I=Ht3/12，平钢板的截面面积为A=Ht。根据EX/E= 2/ 1，把公式（1）和公式（2）代入前式可得出波形钢腹板的有效弹性模量，即

（3）

对1200型波形钢腹板来说，b为330毫米，d为270毫米，h为200毫米，a为330毫米，t为12毫米，将这些数字代入到公式（3）中，可得出EX=E/611，因此在波形钢腹板箱梁组合结构的抗弯计算里，波形钢腹板的功劳几乎能够忽略不计，因而只需将顶板和底板对中性轴的抗弯作用考虑进去即可，表1是部分已经建成的波形钢腹板箱梁桥的波形腹板纵向刚度计算实例对比。

3.2抗剪

国内外研究证明[3-4]，波形钢腹板组合箱梁截面的剪力多是通过波形钢腹板进行承担的，沿着腹板高度剪应力不会发生较大变化，因此能够看作是均匀分布，顺着梁高的剪应力如图3所示，对应公式是：

在此公式中， 为荷载作用下剪力， 是预应力斜钢筋承担的剪力， 表示的是腹板截面面积。由于波形钢腹板组合箱梁桥的混凝土顶板及底板剪切变形情况引起的挠度相对较小，通常不予考虑。然而，传统混凝土箱梁腹板剪切变形引起挠度较小，进而能够忽略不计，但波形钢腹板厚度较薄，对应剪切变形导致的挠度很大，通常不能忽视。把平板钢弯曲成为波形以后，对应剪切模量大大降低，相应的剪切模量计算公式是 ，其中， 表示的是钢材剪切模量；整个截面的剪切刚度计算公式是 。

3.3疲劳性

材料的疲劳损伤可以看作为基于疲劳荷载的不断循环导致材料性能发生逐步退化的进程。纵观整个过程，材料的剩余强度处于降低状态，一旦其低至循环应力的最大限值时，则会形成疲劳损坏情况。事实上，由于受到重复荷载作用，材料强度在逐渐衰退的同时，材料的变形模量、弹性模量、泊松比以及极限压应变等均伴随着累积疲劳损伤的加大而逐步变化。因此，在对结构承受疲劳损伤之后的剩余承载能力进行合理评估的时候，原来的材料本构关系已经难以适用，需要进一步研究各材料的退化模式才能获得较准确的结果。

研究表明[5]，当波形钢腹板组合箱梁发生疲劳破坏时，裂缝部位多形成于波形钢腹板平行折板以及斜折板相接位置处，这个位置所形成的轴向刚度突变会导致出现应力集中情况，进而催发疲劳破坏。运用翼缘型连接件的波形钢腹板组合箱梁的腹板及钢盖板的应力状态与波形钢腹板钢梁具有一致性。通过试验数据拟合曲线以及基于断裂力学进行S-N曲线计算合理推导组合箱梁的疲劳损伤时，所得结果接近试验值。设计波形钢腹板组合箱梁的过程中，综合考虑有限疲劳寿命因素，计算设计建议选用安全性能高的AASHTO规范中的C类标准。

4 算例

实例模型梁全长为7.8m的简支箱梁，计算跨径7. 5 m。如图4所示，梁高480mm，顶板宽度1000mm，底板宽度是550mm，顶板厚度是75mm，底板厚度是70mm。其中，混凝土抗压设计强度 =23MPa ，采用体外预应力索与体内非预应力筋配束方式。体外预应力索采用直径15.24 mm 的7 5的钢绞线12 根，钢绞线的抗拉标准强度 =1470MPa ， 抗拉设计强度 =1000 MPa ， =395mm 。顶板配6 根直径为12毫米的Ⅱ级钢筋作为纵向受力钢筋， 底板配有8根直径为16毫米的Ⅱ级钢筋作为纵向受力钢筋， =30mm ， =460mm 。等效矩形应力分布的受压区高 。顶板有效分布宽度 。截面有效高度 。体外预应力索极限应力为 。

图4结构布置图（单位：mm）

其抗弯承载能力为（综合考虑偏载效应，计算得出承载能力按90%实施折减）：

式中：

--普通钢筋设计强度； --拉区普通钢筋面积； --受拉区普通钢筋重心至梁上缘的距离； --受压区钢筋重心至顶板上沿距离； ---体外预应力钢筋的极限应力； --体外预应力钢筋面积； --体外预应力钢筋重心至梁上缘的距离； --混凝土轴心抗压设计强度； --顶板有效分布宽度； --等效矩形应力分布的受压区高度； 、 ---分别表示混凝土与钢筋的材料安全系数，按公路桥规取 = =1.25。

5 结语

综上可知，波形钢腹板组合箱梁结构颇具使用潜力，国外推广应用该种结构进展已经十分显著。我国现今就此展开的研究尚处于起步阶段，相关理论基础不甚充分，亟待深入开展合理有效的课题研究，旨在实现波形钢腹板组合箱梁结构的优化应用。

参考文献：

[1]任大龙，李文虎，万水.波形钢腹板连续组合箱梁桥抗弯性能分析[J].常州工学院学报，2013年8月，第26卷第3-4期.

[2]丰月华.大跨度波形钢腹板连续箱梁桥结构设计与受力特性分析[J].公路交通科技（应用技术版），2015年02期.

[3]徐强，万水.波形钢腹板 PC 组合箱梁桥的设计与应用[M].北京：人民交通出版社，2010.

[4]李杰，武海鹏，陈淮.波形钢腹板变截面连续体系梁桥钢腹板承剪分析[J].桥梁建设，2015年01期.

[5]彭鲲，李立峰，肖小艳，裴必达，侯嘉庆.波形钢腹板组合箱梁疲劳性能试验与理论分析[J].中国公路学报，2013年7月，第26卷第4期.