平顶山市神马路湛河桥主桥方案设计

徐 俊，王明晔，李晨翔

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

河南省平顶山市神马路位于平顶山市高新区控制性详细规划中的发展主线上，是平顶山市“十三五”期间城市基础设施建设中的重点。神马路跨越湛河的主桥设计桥型为波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱梁桥（效果图如图1所示）。

图1 桥梁效果图

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路。

（2）设计速度：50 km/h。

（3）设计荷载：汽车荷载为城-A级；人群荷载为3.0 kN/m2。

（4）设计断面：3 m(人行道)+5.5 m（非机动车道）+23.0 m(机动车道)+5.5 m（非机动车道）+3 m（人行道）=40.0 m。

（5）设计安全等级：一级。

（6）通航等级：无通航要求。

（7）抗震设防标准：地震基本烈度为6度，地震动峰值加速度值为0.05 g，Tg=0.35 s；抗震设防措施满足7度区要求。

（8）设计洪水频率：1/100；100 a一遇洪水位81.2 m。

（9）环境条件类别：Ⅰ类。

（10）主体结构设计基准期：100 a。

3 桥梁设计

3.1 桥型设计

结合景观造型、河道及道路布置，桥梁采用52 m+85 m+52 m波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱梁桥，桥梁全长189 m，宽40 m，采用机动车双向六车道规模，两侧布置非机动车道和人行道。波形钢腹板PC连续梁外观流畅，用轻薄的波形钢腹板代替了较厚重的混凝土腹板，减少了箱梁自重，方便施工，是本工程的推荐桥型。

3.2 主梁设计

3.2.1 构造布置

（1）上部结构采用双幅单箱三室波形钢腹板箱梁，混凝土采用C50，钢材采用Q345qD。

（2）主梁单幅梁宽为20 m，设置单向2%横坡，主梁底面与顶面平行。梁高和底板厚度均以二次抛物线的形式由跨中向根部变化，跨中梁高2.5 m，底板厚0.25 m，根部梁高5.1 m，底板厚0.8 m。主梁跨中横断面及中支点横断面如图2和图3所示。

（3）中支点附近4.0 m范围内波形钢腹板设置内衬混凝土，内衬混凝土厚度边腹板0.25～0.6 m，中腹板0.5～0.6 m；边支点附近2.93 m范围内波形钢腹板设置内衬混凝土，内衬混凝土厚度边腹板0.25～0.6 m，中腹板 0.5～0.6 m。

图2 主梁跨中断面（单位：mm）

图3 主梁中支点断面（单位：mm）

（4）中横梁厚度为2.2 m，横梁上部由于体外预应力锚固以及转向的需求，局部加厚至3.5 m，端横梁厚度为2.0 m，横梁端部由于体外预应力锚固的需求，局部设置1 m×0.6 m的槽口，便于运营期间体外预应力进行换索。

（5）为了增加波形钢腹板箱梁的抗扭刚度，主梁每隔16～17.4 m设置中间横隔板，横隔板具体设置间距视体外预应力布置以及悬臂浇筑节段而定，横隔板厚度为0.5 m，位于体外预应力转向器处的横隔板局部加厚至0.8 m。

3.2.2 纵向预应力设计

主梁纵向预应力分为施工阶段顶板束、跨中合龙束以及体外预应力钢束三种预应力钢束形式。

其中，主梁纵向体外预应力钢束索体推荐采用ΦS15.2-27散束式单丝涂覆型环氧涂层钢绞线索体，该钢绞线索股共采用了环氧涂层、油脂、PE共三层防腐体系，具有耐久性好的优点。

3.2.3 钢腹板设计

3.2.3.1 波形钢腹板构造

如图4所示，波形钢腹板采用国内最常用的1600型，波形钢板水平幅宽430 mm，斜幅宽430 mm，斜幅水平方向长370 mm，波高220 mm，弯折半径为15 t（t为波形钢腹板厚度）。本桥波形钢腹板厚度分别采用了12 mm、16 mm和20 mm三种型号。

图4 波形钢板波形图（单位：mm）

3.2.3.2 波形钢腹板与顶板混凝土的连接

由于顶板是大型车的交通荷载直接作用的部位，波形钢腹板与混凝土顶板的连接应优先选取翼缘型结合部构造[5]。本工程推荐采用Twin-PBL连接形式（见图5），钢翼缘板的设置能够保持波形钢腹板的形状，且可提高连接件位置处顶板混凝土的浇筑质量，保证连接件的抗剪承载能力。翼缘钢板板厚20 mm，宽450 mm，兼作箱梁顶板加腋处混凝土浇筑时的部分底模。翼缘上的开孔钢板板厚为18 mm，钢板上设置直径60 mm的圆孔，并贯通横桥向贯穿钢筋，钢筋直径25 mm。

图5 波形钢腹板与顶板混凝土连接类型

3.2.3.3 波形钢腹板与底板混凝土的连接

波形钢腹板与混凝土底板间的结合形式可分为钢腹板下端焊接钢翼缘板并配置连接件的翼缘型、把钢腹板直接伸入到混凝土板中的嵌入型，以及下端钢翼缘板与钢腹板包裹混凝土底板并配置连接件的外包型结合构造[1]（见图6）。

图6 波形钢腹板与底板连接类型

（1）翼缘型连接（见图6a）。需要在钢翼缘板底面焊接焊钉或开孔板连接件，钢翼缘板底下的混凝土逆向浇筑，浇筑密实性难以保证，且连接件处于倒立状态，抗剪性能降低。另外，混凝土底板重量部分通过连接件传给钢翼缘板，连接件存在一定程度的拉拔力作用，使连接件的抗剪承载能力进一步降低。

（2）嵌入型连接（见图6b）。由于波形腹板纵向刚度低，在纵向易产生变形，导致波形钢腹板与混凝土底板结合面易出现分离，波形钢腹板纵桥向贴角焊缝连接处易发生构造裂缝，在施工及后期维护中须采取防水处理等措施。

（3）外包型连接（见图6c）。混凝土可自上而下浇筑，从而确保浇筑密实性，而且下翼缘板上的连接件处于正立状态，且易于钢腹板定位及固定，极大地方便混凝土底板施工。底部结合处无须担心渗水等耐久性问题。

综上所述，本工程波形钢腹板（边腹板）与底板采用外包的连接方式，主要通过焊接横向开孔钢板+焊钉的连接方式，底板焊接宽度为520 mm、厚20 mm的钢板。横向开孔钢板开直径为50 mm的圆孔，贯穿钢筋20 mm。焊钉采用22 mm×150 mm。由于底板为变厚，全桥波形钢腹板（边腹板）与底板采用的外包连接方式共有三种规格。波形钢腹板（中腹板）与底板由于没有渗水问题，采用波形钢腹板嵌入连接方式，嵌入深度为280 mm。

3.3 主墩设计

主桥主墩采用墙式实体墩，墩身厚度为2.5 m，墩身宽15.1 m，采用C40混凝土，为减小水流阻力，墙身迎水面设置圆弧。

主墩承台采用矩形承台16.4 m（长）×7.9 m（宽），厚2.5 m；桩基采用8根Φ180 cm钻孔灌注桩，主墩桩长65 m，均选择第九层作为桩端持力层，按摩擦桩设计。

4 推荐施工方法

综合考虑跨径、水位、墩高等因素，本桥推荐采用悬臂浇筑施工，主墩墩顶临时固接，边跨直线段搭设临时支架现浇。

水中主墩基础采用围堰施工，主梁根据施工顺序共分为39个节段，其中0#节段长度为14.6 m，采用支架现浇的方法。

由于主桥采用波形钢腹板的结构形式，且波形钢腹板采用国内常用的1600型波形钢板。为了与波形钢板级数相匹配，方便现场施工，因此对于悬臂施工的节段其节段长度均为1.6 m的倍数。1#～3#节段为后支点挂篮悬臂浇筑节段，节段长度为3.2 m；4#～8#节段同样为后支点挂篮悬臂浇筑节段，节段长度为4.8 m；11#为边跨现浇段，节段长度为7.86 m；9#节段为中跨合龙段，10#节段为边跨合龙段，合龙段长度均为3.2 m。

5 结构计算分析

5.1 整体计算

主桥总体结构静力计算采用Midas/Civil空间杆系有限元方法进行计算，采用空间单梁模型进行纵向总体结构计算。主梁采用空间梁单元。有限元计算模型如图7所示。

图7 主桥有限元模型

主梁极限承载能力验算显示主梁荷载基本组合值均小于其极限抗拉力；持久状况正常使用极限状态验算显示主梁在荷载短期组合、长期组合下主梁均未出现拉应力；持久状况应力验算显示主梁在标准组合下，上缘正截面最大压应力为14.98 MPa，下缘正截面最大压应力为11.85 MPa，均满足规范要求（见图8和图9）。

图8 标准组合下主梁上缘正应力（单位：MPa）

图9 标准组合下主梁下缘正应力（单位：MPa）

5.2 波形钢腹板计算

本工程按照《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》（DB41/T 643—2010）对波形钢腹板进行计算。

5.2.1 钢腹板剪应力验算

5.2.1.1 竖向弯曲剪应力

标准组合下，波形钢腹板弯曲剪应力如图10所示。

图10 标准组合下钢腹板弯曲剪应力（单位：MPa）

从图10可以看出，除中支点设置里衬混凝土的区域，主梁竖向弯曲剪应力均处于120 MPa以下。

5.2.1.2 扭转剪应力

标准组合下，波形钢腹板自由扭转剪应力如图11所示。

图11 标准组合下钢腹板自由扭转剪应力（单位：MPa）

从图11可以看出，主梁在扭矩作用下主梁扭转剪应力均较小，不大于10 MPa。

5.2.1.3 组合剪应力验算

将主梁竖向弯曲剪应力与扭转剪应力进行组合，组合后的剪应力如图12所示。

从图12可以看出，除中支点设置里衬混凝土的区域，主梁组合剪应力均处于120 MPa以下，其中中支点应力最大处为154 MPa，处于设置里衬混凝土的区域，本次计算仅考虑全部由钢腹板承担剪力，钢板剪应力小于120 MPa，满足容许应力要求。

5.2.2 钢腹板屈曲稳定验算

5.2.2.1 局部屈曲验算

波形钢腹板局部屈曲验算见表1。

表1 钢腹板局部稳定验算

从表1可以看出，局部稳定满足要求。

5.2.2.2 波幅宽度验算

为防止波形钢腹板的局部屈曲强度破坏先于剪切强度破坏，波形钢腹板的波幅宽度应符合要求。

表2 钢腹板波幅宽度验算

从表2可以看出，钢腹板波幅宽度可以保证强度破坏先于局部稳定破坏。

5.2.2.3 整体屈曲验算

波形钢腹板整体屈曲验算见表3。

表3 钢腹板整体稳定验算

从表3可以看出，整体稳定满足要求。

5.2.2.4 波高验算

为防止波形钢腹板发生整体屈曲强度破坏先于剪切强度破坏，波形钢腹板的波高应符合要求。

从表4可以看出，钢腹板波高可以保证强度破坏先于整体稳定破坏。

5.2.2.5 合成屈曲验算

波形钢腹板合成屈曲验算见表5。

从表5可以看出，合成屈曲满足要求。

6 工程主要特色

波形钢腹板PC连续梁是21世纪引入我国的，是一种较为新颖的桥梁形式，在结构受力、构造上具有其特殊性。

表4 钢腹板波高验算

表5 钢腹板合成屈曲验算

（1）相对传统的预应力混凝土连续梁来说，波形钢腹板PC连续梁用轻薄的波形钢腹板代替了较厚重的混凝土腹板，减少了箱梁自重，进而可减少下部结构工程量。

（2）由于波形钢腹板PC连续梁自重较轻，恒载弯矩较小，钢腹板不存在开裂问题，从根本上避免了混凝土连续梁腹板开裂、跨中挠度持续增大的病害风险。

（3）本工程设计根据不同位置情况，分别采用了Twin-PBL、嵌入型、外包型等连接形式，混凝土可自上而下浇筑，从而确保浇筑密实性。

（4）外包型下翼缘板上的连接件处于正立状态，易于钢腹板定位及固定，极大地方便混凝土底板施工，并且外包型底部结合处无须担心渗水等问题，耐久性更好。

7 结语

波形钢腹板PC连续梁作为一种新型的钢-混凝土组合结构，充分利用了混凝土抗压、波形钢腹板抗剪、屈服强度高的优点，有效地将钢、混凝土两种材料结合起来，扬长避短，提高了材料的使用效率，是一种经济、合理、高效的结构形式。

随着我国对波形钢腹板PC连续梁结构研究的不断深入和应用技术的成熟，在我国桥梁工程中的应用也越来越广泛。

本文以平顶山市神马路湛河桥为背景，介绍了该桥的工程概况、初设阶段的结构设计、施工方案，通过结构计算分析表明该设计方案主要构件的各项性能均满足规范要求，采用的波形钢腹板与底板混凝土的外包型连接施工方便、耐久性好，可为波形钢腹板PC连续梁设计提供参考。

[1]刘玉擎，陈艾荣.组合折腹桥梁设计模式指南[M].北京：人民交通出版社，2015.

[2]上海市政交通设计研究院有限公司.平顶山市神马路湛河桥工程初步设计[R].上海，2017.

[3]同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司.通江大道北延线（含裕溪河大桥）工程初步设计[R].上海，2014.

[4]上海市政工程设计研究院总院（集团）有限公司.杭州市德胜路（沪杭高速—文汇路）提升改造工程施工图设计[R].上海，2012.

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

[6]DB41/T 643—2010，公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范[S].