波形钢腹板组合梁桥的技术与发展

吴启明 董桔灿

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029）

1 发展概况

1986年法国建成世界上第一座波形钢腹板组合梁桥——Cognac桥，经过数十年的发展，在德国、挪威、日本等国得到了大范围推广。

日本是此类桥梁建设较多的国家，已建数量超过300座。主跨跨径组合173.4 m+2×235.0 m+173.4 m的矢作川斜拉桥是世界上第一座波形钢腹板组合梁斜拉桥。

国内应用起步虽较晚，但发展迅速，从2005年建成了第一座波形钢腹板组合梁桥——江苏淮安长征桥起，已建数量超百余座，2006年山东鄄城黄河主桥的建成，标志我国已进入成规模的应用阶段。深圳东宝河大桥（88 m+156 m+88 m连续梁）跨径在同类型桥梁中居世界前列。郑州朝阳沟大桥为国内跨径最大的部分斜拉桥，跨径组合（58+118+188+108）m，技术难度较高。

2 空间力学特性

2.1 剪力滞效应和翼缘有效宽度

国内公桥规及国外BS5400、Eurocode4、AASHTO有关于混凝土梁、组合梁翼缘有效宽度的规定，是否适用于波形钢腹板组合梁应进行进一步研究。使用有限元方法，可得到波形钢腹板组合箱梁与传统混凝土箱梁在中支点处的顶板应力分布情况，两种桥型跨径均为（88+156+88）m，梁高均为3.5～8.3 m，梁宽均为16.25 m。相关数据表明，波形钢腹板组合箱梁具有明显的剪力滞效应。

波形钢腹板组合箱梁与传统混凝土箱梁在中支点处的顶板应力分布如图1所示。

图1 应力分布

剪力滞效应与荷载形式有关，研究表明，集中荷载作用下的剪力滞效应需要高于均布荷载。现有的规范针对翼缘有效宽度的规定只适用于均布荷载，集中荷载占比较大时，安全性较低。除此之外，汽车活载的情况较为复杂，其荷载包括均布荷载、集中荷载，且需要按照影响线进行最不利加载，因此，常规的分析方法无法适用，建议采用差分法对剪力滞效应微分方程进行数值求解。

2.2 扭转效应

扭转包括刚性扭转、畸变，针对刚性扭转，目前常采用乌二理论进行分析，其基于变形协调、几何方程和物理方程建立关于扭矩、翘曲双力矩和翘曲函数的微分方程。由于假定为理想薄壁构件，与实际情况不符，且该理论忽略了部分变形能项，导致其精度较低。

畸变理论放弃了乌二理论中的刚性周边假定，并在翘曲变形基础上考虑截面框架变形和翼缘板弯曲变形。通过变量变分法可得到关于畸变角的四阶微分方程。波形钢腹板的力学特性较复杂，其力学模型更接近正交异性板，在扭转荷载作用下，变形模式的具体形式需要进一步研究，传统的畸变分析理论不再适用。

针对上述刚性扭转和畸变两种效应，提出了基于广义坐标法的扭转畸变耦合理论，且确定广义坐标是解决问题的关键。

2.3 单箱多室截面多块腹板的剪力分配

单箱多室截面可适用较大的桥面宽度，且其整体性好，已逐步得到广泛应用，如郑州朝阳沟特大桥采用单箱了四室截面。

单箱多室截面的波形钢腹板剪力计算时，不可简单按均匀进行分配处理。通常情况下，中间腹板的剪力应大于边腹板，精确分析需要借助箱梁剪力流理论，并假定波形钢腹板的剪力流沿高度方向均匀分布。

郑州朝阳沟特大桥腹板剪力分配系数的纵向分布如图2所示。

图2 朝阳沟特大桥腹板剪力分配系数沿桥梁纵向的分布

3 设计技术

3.1 概念设计

波形钢腹板PC桥梁的结构形式包括简支梁、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥。针对截面形式，普遍采用单室箱截面。相关文献指出，具有多室箱梁的波形钢腹板结构中，若干问题仍未明确，有必要进行详细研究。若相关问题可使用试验、FEM分析等进行评价，也可应用多室箱截面。主要问题包括各腹板分挡的剪力的比例、扭转刚度的评价方法、翘曲应力的计算方法、板的设计弯矩的计算方法等。

梁高可参照传统混凝土箱梁桥，但选择较高的梁高较为经济合理。

3.2 波形钢板的设计

目前波形钢腹板的波形主要有1000型、1200型、1600型三种，较小的型号波高较小，可提高剪切局部屈曲强度，但会降低剪切整体屈曲强度。跨径较小时宜采用1000型，跨径较大时宜采用1600型。与此同时，应考虑考虑运输条件、施工可行性、经济性等。

随着技术进步，波形钢腹板组合梁桥逐渐向更大的跨径发展，以往的三种规格的波形钢板已难以满足实际工程需求，提出了更大规格的2400型。当板厚较大时，2400型拥有更高的剪切屈曲承载力。波形钢腹板厚度34 mm时，2400型与1600型的梁高-剪切屈曲承载力曲线、最大剪力-跨径曲线如图3所示。

图3 2400型与1600型波形钢腹板剪切屈曲承载力与适用性对比

由图3可知，梁高≥9.65 m时，2400型的剪切屈曲承载力高于1600型。

3.3 连接件的设计

目前采用较多的连接件形式包括栓钉连接件、双开孔钢板连接件、单开孔钢板+栓钉连接件、角钢连接件、埋入式连接件。

针对埋入式连接件，相关资料表明，其具有充分的疲劳强度，设计施工时，应注意波形钢腹板与混凝土底板耐腐蚀性的问题。针对双开孔钢板连接件方面，混凝土销的验算难度较大，可考虑椭圆孔，深圳东宝河大桥中支点附近采用此种开孔方式。针对角钢连接件，其U形筋包括与角钢焊接、不焊接两种方式，与角钢焊接的方式承载力有所提高，但会降低疲劳性能，推荐采用与角钢不焊接的方式。

3.4 内衬与墩顶节段的设计

中支点附近设置内衬可降低传递剪力、缓和刚度突变、避免波形钢腹板屈曲。腹板高度较大的情况下，支点附近的波形钢腹板由于承受竖向反力，应力状态较为复杂，抗屈曲能力降低，因此，须在中支点附近设置内衬。《波型钢腹板组合梁桥技术标准》（CJJ/T 272—2017）中规定，内衬混凝土的长度不小于支点处梁高，内衬混凝土的厚度应根据抗剪承载力和斜截面抗裂计算确定，最薄处不宜小于20 cm。

3.5 横隔板的设计

横隔板是提高波形钢腹板组合箱梁抗扭能力的重要构件。由于抗扭刚度和腹板面外刚度明显降低，波形钢腹板组合箱梁的扭转效应较为显著，应按照更小的间距设置横隔板。《波型钢腹板组合梁桥技术标准》（CJJ/T 272—2017）指出，中等跨径的工程实例中，横隔板间距为10～25 m，横隔板设置的具体措施，需要完善扭转分析理论。

4 结语

作为一种力学性能优秀的新型组合结构，波形钢腹板组合梁桥的技术已日趋成熟，行业标准的发布为其技术水平的提升提供了参考依据，可增加波形钢腹板组合梁桥的使用数量，提升工程质量。