波形钢腹板PC箱梁结构的发展与应用

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400067)

一、引言

波形钢腹板PC组合结构在短短几十年时间里飞速发展，这跟其优良的特性离不开关系。它的主要构件大致包括上下混凝土翼缘板、波形钢腹板以及体外预应力束。波形钢板外观呈波浪形，由于材质为钢材，相较于混凝土有更高的抗剪能力。而腹板主要功能就是承担剪力，所以钢腹板恰好顺应而生。此外，当混凝土腹板被替代后，可以减少大量的浇筑模板，且腹板不在预留孔道布置预应力束，大大降低了施工难度，同时也加快了工期，节省了成本。同时，在桥梁的纵向上，预应力由于不会被钢腹板的刚度影响，可以更好的发挥其作用

二、发展概况

早在1986年，法国人就已经建立了世界上第一座波形钢腹板PC箱梁桥，随后又相继建立了几座该结构类型的桥，可以说是迈出了重要的一步，为世界发现了一种结构优良的主桥形式。

随后，日本意识到该类桥型的优秀特性，从法国引进了该桥型技术，对其做了全面的研究，于是日本第一座波形钢腹板PC箱梁桥很快得以建成。随后不久，日本相继建设了大量的该类型的桥。在这些桥中，其中包括连续梁桥、连续刚构桥、拱桥以及斜拉桥等多种桥型。这样一来，日本不仅开发了该桥型的适用范围，还使其设计与施工技术得以成熟，取得不错的成绩。

在我国，20世纪初末到21世纪初，许多科研单位波形钢腹板PC组合结构进行了研究，取得了一些列的成果，带动着该桥型在我国的应用。例如，2005年1月我国建成了长征桥，它是一座波形钢腹板PC连续梁人行桥；2005年7月又建成了泼河桥，结构形式为组合箱梁公路桥；随后的2007年5月银座人行桥建成，结构形式与泼河桥相似；2015年12月建成的山东鄄城黄河公路大桥，具有许多技术创新，也为我国的波形钢腹板桥梁做出表率。

三、基本构造

(一)波形钢腹板PC箱梁的构造。此类结构的本质便是用波形钢腹板替换掉混凝土腹板，然后再通过抗剪连接方式进行连接。由于混凝土腹板被取缔，相应的体内预应力钢束也同样没有埋置的空间，取而代之换用体外预应力束。

(二)波形钢腹板的形状。波形钢主要拥有三个节段，即直板段、圆弧段和，三个阶段便组成了一节波形钢腹板，再通过适当的连接即可。波形钢腹板的外观要满足许多要求，其中包括合格的抗剪切能力，同时还要照顾到施工、经济性等等相关情况。波形钢腹板根据情况的不同，通常有多种制作工艺，采用较多的为冷弯加工。

(三)波形钢腹板箱梁的连接。对于波形钢腹板的连接，很显然主要存在以下几个部位的连接。首先是波形钢腹板自身之间，然后是腹板与顶底板之间，再者便是与腹板相连接的横隔板，最后便是在箱梁内的混凝土内衬。

由于受限于施工制造技术，波形钢腹板往往不能做得和节段主梁一样长，需要在纵桥方向进行切割，再在施工现场进行拼接。如今从钢结构中我们可以了解到，波形钢腹板之间的连接现在主要有两种形式：高强螺栓连接以及焊接。

波形钢腹板与顶底板的连接，是两者共同工作的基础，它需要抵抗两者接触面上的纵向剪力，防止产生纵向滑移，而且还保证顶板不被掀起，它的可靠性直接关系到整桥的承载能力。现目前，国内外主要有四种连接方式，即栓钉连接、型钢连接、组合连接和嵌入连接，其中使用最多的是型钢连接。同时，还需要保证腹板与横隔梁之间的连接，因为腹板中的剪力需要通过横隔梁才能传至桥墩。

四、构造特点

(一)与预应力混凝土箱型梁桥相比的优点

1、自重变低，抗震性能好。出于波形钢腹板的轻质，主梁的自重大大减小，抵抗地震的性能也有一定提高。

2、混凝土腹板被替换后，建筑材料用量减少。同时，主梁其自重也会大大降低，使工程费用得到有效控制。

3、波形钢腹板在顺桥向的刚度小到可以在实际工程中忽略，而我们需要在顺桥向翼缘板布置预应力钢束来增强结构承载能力。所以，波形钢腹板并不会对顺桥向的预应力产生抵抗作用，结构的合理性显而易见。

4、材料各尽所能。在波形钢腹板PC箱型梁中，上下混凝土板抗弯，波形钢腹板抗剪，各司其职。

5、混凝土腹板被替换以后，减少了大量的腹板模板，免去了腹板内预留孔道等复杂操作。波形钢腹板可以工厂预制，再进行现场拼接，大大提高了施工进度。

6、更换体外预应力钢筋无需再考虑混凝土腹板，操作更加便捷，非常有利于桥梁的维修和加固。

7、一般的混凝土腹板在外荷载以及自身收缩徐变等影响下，会发生腹板开裂的现象。但波形钢腹板替本身就拥有较强的抗拉性能，不会出现开裂。

8、造型优美。波形钢腹板箱梁在成桥以后拥有优美的外型，非常适合城市以及旅游区域。

(二)波形钢腹板的缺点

1、波形钢腹板制作成本较高，但是随着技术进步，生产工艺突飞猛进，这一问题正在慢慢解决。

2、混凝土腹板因其截面面积大，其抗扭转的能力突出，整体稳定性较好。波形钢腹板做不到那么大的横截面积，抗畸变效果并不如混凝土腹板好。

3、波形钢腹板的屈服破坏会比较突然，且在屈服的后阶段，承载能力会下降到与平面钢腹板差不多。

4、波形钢腹板由于有较多的曲折，容易滞留杂志，导致腐蚀增加，使用的耐久性有所降低。

虽然波形钢腹板有一些不足之处，但不管与传统的PC箱梁还是平面钢腹板箱梁相比，都具有较为明显的优点，是非常值得推广的一种桥型。

五、结论

波形钢腹板PC箱型梁桥也已经有几十年的历史，世界上大大小小此类型的桥也已经超过几百座其中日、法两国尤为突出。从其表现来看，无论是结构形式、预应力体系，还是施工技术都有许多独特之处。

同时，山丘地形占据了我国40%国土面积，而修建山区桥梁是今后一大重要方向。山区桥梁特点就在于跨境大，减轻桥梁自重的任务首当其冲。波形钢腹板PC箱型桥优秀的受力特性，简单、便捷的施工技术，非常适用于山区地形。

得益于该类结构优异的特性，今后无论是梁桥，还是斜拉桥、悬索桥，波形钢腹板PC组合结构都将拥有非常广阔的应用前景。