装配式波形钢腹板组合梁设计实例

彭宁斌,温火丽

（1.吉安市公路勘察设计院,江西 吉安 343000; 2.江西聚源建设工程有限公司,江西 吉安 343000）

0 引言

装配式梁桥结构因具有工期短、施工简便、经济性强等优势而应用广泛，常规的装配式梁桥一般采用钢筋混凝土组合梁或混凝土梁形式，近年来又出现了波形钢腹板梁形式，对于跨径30～70 m的梁桥较为适用，主梁也由厚重的混凝土腹板转变为厚度较薄的波形钢腹板，结构重量减轻，预制梁体运输及吊装过程也相对简化；波形钢腹板还具备较好的抗剪性和抗裂性，可有效避免混凝土梁桥腹板普遍面临的斜裂缝病害；横纵向连接均采取湿接缝形式，省去了现场焊接和涂装等钢结构施工工序，施工精度有保证。该文依托具体工程，对装配式波形钢腹板组合梁力学特性及指标设计展开分析探讨，为此类桥形在国内的推广应用提供借鉴参考。

1 工程概况

某大桥主桥采用2孔50 m跨装配式波形钢腹板组合箱梁桥设计，截面形式为先工后箱，4片工形预制梁构成梁体单幅横断面，并通过湿接缝连接为双箱单室组合箱梁。全桥箱梁高均为3.0 m，标准段顶板和底板湿接缝厚度分别为22.0 m和18.0 cm，波形钢腹板厚度在10.0～12.0 cm之间。该桥梁主梁标准断面详见图1。顶板为带翼缘板埋入式构件，翼缘板设计厚度10.0 mm，埋深19.0 cm；底板为嵌入式构件，在钢腹板和底板顶面连接处设置2%横坡，通过硅胶密封。

图1 J大桥主梁标准横断面

2 波形钢腹板梁桥力学特性

波形钢腹板梁桥与常规的钢筋混凝土组合梁或混凝土梁受力特性不同[1]。在波形钢腹板梁断面图（图2）中，L表示波形钢腹板梁长，h表示梁高，h1和h2分别表示截面形心与顶板形心、底部形心的距离；b1、t1分别为混凝土顶板宽度和厚度，A1为混凝土顶板面积；b2、t2则为混凝土底板宽度和厚度，A2为混凝土底板面积；Ag为波形钢板面积。不考虑抗弯刚度受波形钢腹板的影响，则截面基本函数关系表示如下：

图2 波形钢腹板梁桥断面

不考虑底板自身抗弯刚度的情况下，截面抗弯刚度I为：

截面上下缘应力表示为：

式中，σ1、σ2——上下缘应力；N——轴力；M——最大弯矩。通过式（4）可以看出，混凝土底板预应力对波形钢腹板梁顶板无影响，预应力全部施加于混凝土底板，这种力学特性为梁体应力改善提供了可能[2]。

根据波形钢腹板组合梁钢束布置情况，梁体内预应力长束为直线通长布置，端部弯起设计便于锚固。为解决梁端和跨中较大应力差，并向跨中区域施加较大预应力，在底板处设置预应力短束，并对小跨径梁设置长束。负弯矩钢束的设置可提升支点抗裂性能。按照这种设计思路，波形钢腹板梁桥采用全直线钢束布置，可最大程度减少预应力损失，简化施工。

3 装配式波形钢腹板梁桥设计

3.1 跨径及箱梁截面形式

参考相关设计经验，装配式波形钢腹板梁跨径在30 m以下时，结构承载力难以得到充分发挥，且连接件用钢量在全桥总用钢量中占比较高，缺乏经济性；当跨径超出70 m时，虽然经济性问题得到解决，但结构自重、梁高及运输、施工难度均随之增大，等跨布置也存在较大难度，出现稳定性破坏的可能性增大；而当跨径位于30～70 m范围内时，可充分发挥装配式波形钢腹板组合梁经济性和适用性等方面的优势。为此，必须将装配式波形钢腹板组合梁跨径控制在30～70 m之间。

装配式波形钢腹板箱梁截面形式有T形、先工后箱、箱形等，具体见图3。其中T形和先工后箱形式为传统预制梁截面形式，对于桥宽较小、运输条件受限的桥梁较为适用，梁宽一般为2.5 m。箱形截面形式对于大宽度、桥梁周边预制条件良好的情形适用。结合工程实际，该桥梁主要采用先工后箱截面形式。

图3 装配式波形钢腹板箱梁截面形式

3.2 梁高

该装配式波形钢腹板组合梁钢筋混凝土容重及钢结构容重分别取26 kN/m³和78.5 kN/m³，单片波形钢腹板梁自重为[26(A1+A2)+78.5Ag]/延米；钢筋混凝土桥面铺装层厚度为10 cm，则其结构自重为5b1/延米；若装配式波形钢腹板厚2 cm，则包含剪力连接件的总面积Ag为0.02h；横梁、横隔板等构件因靠近梁端，故其重量对跨中弯矩的影响可忽略不计。则受跨中弯矩作用较大的单片波形钢腹板梁单位长度恒载qG可表示如下：

因该装配式波形钢腹板组合梁采用先简支后连续的施工工艺，为简化活载计算，按照简支状态进行连续结构正弯矩计算，并按照跨径将活载集中力均布设置，车道间距为3.5 m，活载冲击系数取0.1。则单片波形钢腹板梁单位长度活载qL表示如下：

装配式波形钢腹板组合梁每延米恒载和活载和为：

该波形钢腹板组合梁桥混凝土顶板同时承受横向弯矩和车辆局部荷载，混凝土底板则承受纵向弯矩，故针对混凝土底板展开梁桥结构整体抗弯承载力分析。向混凝土底板施加预压应力σ，以抵抗恒载与活载，则有：

该装配式波形钢腹板组合箱梁混凝土顶板宽度为底板厚度的2倍，假定σ取16.2 MPa，则根据设计要求，底板承托面积为0.1 m2。波形钢腹板组合梁高和顶底板参数的关系可表示如下：

由式（9）可以看出，装配式波形钢腹板组合梁梁高主要受顶板宽度、底板厚度、跨径等参数的影响，且梁高受顶板宽度的影响较小，底板厚度则与梁高呈对数曲线分布；当底板厚度较小时梁高较大且变化明显，相反，底板厚度较大时梁高较小且变化不大。

根据跨径和梁高的关系（表1），梁高的确定必须同时考虑跨高比应用限制和顶底板厚度的合理性[3]，当跨径在30 m以下时应根据跨高比确定梁高，而当跨径在30～70 m时，则根据截面重量控制要求确定梁高。

表1 装配式波形钢腹板组合梁跨径和梁高的关系

3.3 梁宽

根据《公路装配式混凝土桥梁设计规范》（JTG/T 3365—05—2022），装配式波形钢腹板厚度至少为9 mm，且在剪应力控制下钢腹板承载能力才能有效发挥。支点剪力与跨中弯矩计算模式并不相同，横隔板、齿块、护栏等重量确定时考虑恒载影响，并按照标准梁段截面面积的1.3倍计入，而活载剪力按照标准梁段截面面积的1.2倍计入。当波形钢腹板承担全部剪力时，强度破坏的出现会先于稳定性破坏。

在箱形截面下，为提升波形钢腹板结构的承载力，箱梁宽应控制在4～6 m。对于整孔预制箱梁，预制梁宽设计值见表2。表中两车道高速公路3片梁方案预制梁宽过小，波形钢腹板性能无法充分利用，湿接缝宽度也较小，会增大施工难度，故在该情况下推荐2片梁，可简化结构，充分发挥上下部材料性能。三车道和四车道时均应采用3片梁方案，对应的预制梁体宽度较为合理。

表2 装配式波形钢腹板组合梁宽

3.4 顶底板剪力连接件

波形钢腹板组合梁剪力连接件的主要作用在于保证波形钢腹板和混凝土可靠连接，为将连接件用钢量控制在全桥用钢量的30%以内，提升梁桥结构的经济性，必须选择合适的连接件形式。为提升结构安全性，还应保证连接件延性和承载力。经过试验及分析，波形钢腹板组合梁顶板采用带翼缘板埋入式连接件，而底板则采用嵌入式连接件，具体形式详见图4。

图4 剪力连接件形式

4 应用效果

针对该高速公路装配式波形钢腹板组合梁设计方案，采用先简支后连续的施工方式，跨径控制在30～70 m之间，采用先工后箱截面形式，根据截面重量控制要求确定的梁高为3.0 m，四车道时采用3片梁方案，预制梁宽5.6 m，湿接缝宽1.07 m。钢束则采用底板长束、短束及负弯矩束等形式。

该大桥主梁B1、B2、B3体内预应力钢束依次采用2-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm、1-17Фs15.2 mm钢绞线，T1、T2体内预应力钢束均采用2-12Фs15.2 mm钢绞线。就施工工序而言，在工形梁体预制阶段张拉底板束B1，梁体预制结束后架设工形梁，并施工顶板和底板湿接缝。底板束B2、B3和顶板束T1、T2均在箱室内部张拉，结束后结构由简支变为连续。因波形钢腹板底板预应力钢束张拉对顶板应力影响不大，故进行顶板和底板湿接缝施工时可调整施工工艺，先施工底板湿接缝，张拉B2、B3底板束，再施工顶板湿接缝，也可以先施工顶板和底板湿接缝，张拉B2、B3底板束。采用C50强度混凝土，钢束控制张拉应力为1 395 MPa，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG/D60—2015）进行恒载、活载、沉降、温度值的确定。通过MIDAS/Civil有限元软件进行结构模拟分析，结果表明，按照该文所确定的参数值进行该装配式波形钢腹板组合梁设计后最大剪力和抗剪承载力依次取5 320 kN、6 192 kN，正截面抗弯承载力、最大压应力等验算结果均满足规范要求，该文参数设计应用于实际桥梁效果良好。

5 结论

综上所述，装配式波形钢腹板组合梁能充分利用建筑材料，实现对钢材、预应力、混凝土等资源的高效配置，并通过截面形式的优化设计满足装配化施工要求，剪力连接件的合理设置有利于降低用钢量和施工难度，提升结构承载力。通过该文分析提出，装配式波形钢腹板梁桥适宜跨径应为30～70 m，箱梁顶、底板厚度及预制宽度应为18 cm、25 cm和4～6 m。梁顶、底板连接件应分别采用翼缘板埋入式和嵌入式两种形式。以上参数在该桥梁结构中应用后，预应力效能得到充分利用，主梁自重大大减轻，混凝土用量节省，经济效益和社会效益均得到提升。