波形钢腹板组合箱梁设计与简化计算的研究

罗明秋

(南京市公共工程建设中心，江苏南京210000)

0 引言

减轻大跨度预应力混凝土箱梁结构自重，是桥梁结构技术发展的重要趋势。对于常规的预应力混凝土箱梁，由于需要在腹板内布设钢筋和使预应力转向，通常腹板较厚，其重量可达箱梁自重的30%左右。使用波形钢腹板代替混凝土腹板，可通过其褶皱效应让腹板纵向刚度降到很低，以消除腹板和顶、底板之间的约束，达到让钢腹板只承担剪力的作用[1]。

1 结构概述

以仙新路过江通道工程引桥波形钢腹板组合箱梁为例：腹板采用1600 型波形钢，波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接分别采用双开孔钢板连接件和直接嵌入的形式（见图1）。

2 主梁建模计算

采用Midas Civil 有限元分析软件进行整体建模验算。因波形钢腹板几乎没有承受轴向力和桥轴方向弯曲的能力，故在刚度计算中可忽略波形钢腹板仅考虑混凝土截面。计算假定弯矩均由箱梁顶底板承受，剪力由波形钢腹板承受，弯矩和剪力不发生相互作用[2]。

主梁整体计算按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）相关要求进行计算。另外，从计算模型中提取内力数值，对波形钢腹板各组成部分进行验算。

3 波形钢腹板受剪承载力计算

采用平均剪应力计算理论，钢腹板高度只计外露于混凝土部分高度，忽略混凝土顶、底板的抗剪作用。剪应力应同时计入剪力、扭矩及预应力竖向分力产生的效应。

剪应力计算公式：

扭转剪应力计算公式：

式（1）～（2）中：Vd为竖向剪力设计值；Td为扭矩设计值；Vp为预应力一次效应竖向分力标准值；Am为箱型薄壁中心所围面积；hw、tw为波形钢腹板高度及厚度；α 为修正系数。

波形钢腹板承载能力极限状态抗剪强度设计值应大于剪应力与扭转剪应力数值之和[3]。

4 波形钢腹板承载力极限状态剪切稳定验算

波形钢腹板的稳定计算包括局部屈曲、整体屈曲和组合屈曲三部分计算内容。

局部屈曲临界剪应力计算公式如下：

其中：

式（3）～（7）中：fvd为波形钢腹板抗剪强度设计值；ν 为波形钢腹板泊松比；λs，L为局部屈曲参数；E 为波形钢腹板弹性模量；τecr，L为弹性局部屈曲临界剪应力；k 为波形钢腹板局部屈曲系数；ew为波形钢腹板直幅段与斜幅段长度较大值。

整体屈曲临界剪应力计算公式如下：

其中：

式（8）～（13）中：λs，G为整体屈曲参数；δ 为波形钢腹板高厚比（波高/板厚）；τecr，G为弹性整体屈曲临界剪应力；η 为波形钢腹板形状系数，1600 型取0.93；β 为波形钢腹板整体嵌固系数，取1.0；IX，Iy为波形钢腹板绕顺桥向形心轴的惯性矩和抗弯惯性矩。

结合以上计算，波形钢腹板组合屈曲临界剪应力按下式计算：

波形钢腹板剪应力和扭转剪应力叠加以后，数值小于组合屈曲临界剪应力，即可认为波形钢腹板承载力极限状态剪切稳定[4]。

5 连接件水平受剪承载力计算

波形钢腹板与顶板、底板连接处的单位长度水平剪力可按下式计算：

混凝土剪力销受剪承载力设计值Vu1计算公式：

式（16）中：dp为开孔钢板孔径；ds为贯穿钢筋直径；fcd为混凝土抗压强度设计值；fsd为贯穿钢筋抗拉强度设计值；n 为系数，当开孔钢板间距大于其高度的1.5 倍时取2。

混凝土力剪力销受劈裂剪承载力设计值Vu2按下式计算：

式（17）中：γc为混凝土强度系数；取1.3t 为开孔钢板厚度。

开孔钢板孔间受剪承载力设计值Vu3按下式计算：

式（18）中：fvd为开孔钢板抗剪强度设计值；t 为开孔钢板厚度。

底板嵌入式连接件受剪承载力设计值Vu4按下式计算：

式（19）中：A1为波形钢腹板斜幅段在横桥向投影面积；AS为结合钢筋截面面积；fsd为结合钢筋抗拉设计强度。

根据以上计算内容，波形钢腹板与顶、底板连接件的水平受剪承载力应满足下式要求，

式（20）中：Vu为以上Vu1～Vu4计算数值；s 为连接件顺桥向间距。

6 其他

波形钢腹板与混凝土顶底板、横梁之间的连接，均为典型的钢混结合段，相关的钢混组合体系的计算方法在各规范中均有介绍。为了使腹板近横梁处刚度匀顺以及提高钢腹板抗屈曲能力，在该位置处设置了内衬混凝土。但内衬混凝土的设置会增加结构自重，导致结构经济性变差。类似工程可采用高强、轻质新材料，以减薄、减轻内衬混凝土段[5]。因本桥采用宽幅大箱梁断面，为提高箱梁整体的抗扭刚度，在箱梁内每隔一段距离设置一道横隔梁，横隔梁兼做体外预应力转向块用。

7 结语

通过仙新路过江通道引桥波形钢腹板组合箱梁工程设计实例，介绍了在设计过程中的简化计算内容和方法。近些年来国内波形钢腹板组合梁在工程实例中应用得越来越多，希望通过本文内容为以后类似的结构提供一种设计计算思路，以更好地满足工程设计需求。