大跨双肢波形钢-RPC刚构桥跨度研究及结构试设计

官润荣,上官兵,解 冰

(1.广东省冶金建筑设计研究院有限公司, 广州 510080;2.广东冶建施工图审查中心有限公司, 广州 510080)

0 引言

波形钢腹板组合梁桥因其较PC梁桥具有自重轻、无腹板开裂、经济性好等优点[1]，在国内外工程中的应用越来越广泛，但此类桥梁普遍跨度偏小[2]。目前世界上轻质混凝土梁桥跨径记录为主跨301m的挪威Stolma桥[3]，国内PC梁桥跨径记录为主跨270m的虎门大桥辅航道桥[4]。而目前正在建设的最大跨径波形钢腹板组合梁桥—浙江杭绍甬高速公路上的曹娥江特大桥，主跨仅188m[5]，远小于已建成的PC梁桥。董红飞[6]研究了不同腹板高度大跨径波形钢-RPC梁桥的剪切屈曲问题，得出腹板屈曲是影响桥梁跨径提升的主要影响因素。马利斌[7]等通过对大跨径波形钢腹板刚构桥的设计与分析计算，得出合理地选用结构尺寸形式能使此类桥梁在大跨径桥梁中更具技术优势。相对于PC梁桥，波形钢腹板桥自重轻，且由于波形钢的褶皱效应，使箱梁纵向预应力全部集中作用于顶、底板上，预应力效率更高，理论上此类桥梁的跨度可以提升至PC梁桥的跨度。

本文通过对影响该类桥梁跨度的主要影响因素进行分析，提出解决限制其跨度增长关键问题的具体措施，并以155m+270m+155m双肢波形钢-RPC刚构桥为对象，通过结构试设计、理论分析计算，得出波形钢腹板-RPC桥梁能够向更大跨度发展的结论。

1 影响波形钢腹板组合梁桥跨度的主要因素

1.1 结构自重

大跨度梁桥荷载效应中，恒载占比高达90%[8]，恒载中又以结构自重为主要影响因素。波形钢腹板箱梁与PC梁桥的整体受力性能相似，仅钢腹板等局部受力性能不同。常规波形钢腹板梁桥与PC梁桥相比，采用8mm～30mm钢腹板代替PC结构30cm～80cm厚的混凝土腹板，腹板重量减轻约80%[2]，推算出整个结构自重减轻约20%。同理，若通过采用高强材料如RPC面板替代PC桥面板，即减薄顶板厚度，结构自重可进一步减轻。如此，波形钢腹板桥的跨度可以进一步加大，理论上可以超过PC梁桥。

1.2 波形钢腹板的屈曲稳定性

2 提高波形钢腹板稳定性的技术措施

常规波形钢腹板梁桥中，提高腹板稳定性的主要措施有钢板内侧施工内衬混凝土、增加连接处梗腋混凝土高度、增加钢板厚度等三种方式，如图1～图3所示。但随着跨度进一步加大，三种方式都存在一定的不足。采用内侧加混凝土内衬及增加连接处梗腋混凝土高度的方式将会大大增加梁体自重，进而制约跨度发展；而增加钢板厚度将增加钢板制作加工的难度，钢板太厚还易出现焊接困难及厚板撕裂等问题，钢板厚度受到一定的限制。

图1 增加内衬混凝土

图2 增加梗腋高度

图3 增加钢板厚度

由上述分析可知，三种常见的防失稳措施均存在不足。本文提出另外一种措施对波形钢腹板进行优化设计，采用双肢波形钢腹板形式替代厚钢板，双肢波形钢板间增加加劲板(图4)。桥梁横截面可通过采用不同肢数、不同钢板厚度的变化方式，以适应断面受力及腹板稳定性的要求。经优化后，理论上解决了钢腹板的稳定性问题。

图4 双肢钢腹板

3 结构试设计

根据以上影响跨度因素的分析可知，通过减轻桥梁自重及采取措施解决波形钢腹板的屈曲稳定问题后，此类桥梁的跨度在理论上可以达到PC梁桥的跨度。考虑到目前国内既有PC梁桥最大跨径为270m的情况，本文选取155m+270m+155m跨径双肢波形钢-RPC为对象进行试设计。

试设计的桥梁为155m+270m+155m三跨变截面连续刚构，采用挂篮悬臂浇筑的施工方法。主梁纵向悬臂划分为15个节段，其中0#节段长16.8m，为混凝土断面。其它钢腹板节段长为4×7.2m+10×9.6m，边、中跨合龙段长为3.6m，边跨支架施工段长17.95m。

箱梁横断面采用单箱单室，顶板宽15.75m，底板宽9.5 m，翼缘悬臂长3.5m，悬臂根部板厚55cm，端部板厚15m。墩顶梁高15m，高跨比1/18；跨中梁高6m，高跨比1/45。主梁0号块采用混凝土截面，其余节段根据腹板高度的不同采用双肢、单肢波形钢腹板截面。双肢截面两肢横向间距1.0m，方便后续检修。双肢截面中每侧波形钢腹板间根据截面高度情况，按不大于4.5m高度的原则加设一道或两道钢板，以满足屈曲稳定的需要。典型横断面如图5～图7所示。

图5 0#块横断面(单位：cm)

图7 跨中横断面(单位：cm)

主墩为双肢薄壁矩形墩，墩高50m，单肢截面9m×3m，薄壁墩纵向中心间距6m。承台为22.0m×17.5m矩形截面，厚6m。基础为桩基础，单墩采用12根直径2.5m的钻孔桩。

波形钢腹板采用抗力强度为275MPa、抗剪强度为160MPa的Q345钢材，型号为1600型，波高220mm，水平宽度430mm，水平折角30.70，弯折内径R为1 200mm。钢板厚度根据受力要求采用12～24mm。顶板采用RPC材料，材料等级为RPC160，材料性能参照《活性粉末混凝土》(GB/T 31387)[11]及《无腹筋预应力超高性能混凝土梁桥技术规范》(T/GDHS 003-2021)[12]中超高性能混凝土强度U160等级的相应取值，其抗压强度设计值为77.2MPa，抗拉强度设计值为5.3MPa。底板采用C60普通砼，设计强度根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)[13]选取。预应力束采用低松弛钢绞线，标准强度为1 860MPa，材料符合《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224-2014)[14]技术要求。

4 计算分析

4.1 计算模型

采用MIDAS软件建立有限元模型。全桥共划分节点96个，单元88 个，其中上部结构80个单元，下部结构8个单元。结构离散图如图8所示，断面如图9～图10所示。

图8 有限元模型离散图

图9 0#块截面

图10 跨中截面块截面

4.2 主要参数

双肢截面采用钢腹板厚度叠加的形式模拟，即双肢截面采用单肢钢板模拟，钢板厚度为双肢钢板厚度之和。

预应力束采用低松弛钢绞线，松弛系数为0.3，材料强度为1 860MPa。体内束型号为φs15.2-37、φs15.2-35、φs15.2-19、φs15.2-12等四种，体外束型号采用φs15.2-46。

横隔重量以节点荷载加载，二期荷载(桥面铺装+防撞墙)为53.9kN/m，整体升降温、温度荷载按规范选取，梯度温度荷载按上铺10cm沥青混凝土铺装取值，汽车活载按最多4车道布置，主墩基础竖向沉降按10mm计入。

施工阶段划分为15个节段，节段分块如图11～图12所示。挂篮荷载取最大节段重量(第5#节段)的一半考虑，取值2 474kN，以集中力施加于节段端部，如图13所示。湿重荷载以力及力矩的形式加载，如图14所示。

图11 边跨施工节段划分(单位：cm)

图12 1/2中跨施工节段划分(单位：cm)

图13 挂篮荷载

图14 1#节段湿重

4.3 部分计算结果

4.3.1 抗弯承载力

正截面抗弯承载力弯矩包络图如图15所示，正截面抗弯承载力验算结果见表1。

表1 抗弯承载力

图15 主梁抗弯承载力包络图

验算结果表明，结构抗弯承载能力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)的技术要求。

4.3.2 正应力

持久状态正常使用极限状态计算显示，主梁上下缘均未出现拉应力，所有截面满足全预应力混凝土构件正截面抗裂的技术要求。短暂状况构件应力计算显示，所有截面均满足规范技术要求。正应力验算结果见表2。

表2 正应力验算结果

验算结果表明，结构正应力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)的技术要求。

4.3.3 剪应力

支点截面波形钢腹板在极限荷载下的剪应力见表3。

表3 极限荷载下的剪应力

验算结果表明，腹板剪应力满足《波形钢腹板组合梁桥技术标准》(CJJ/T 272-2017)的技术要求。

4.3.4 挠度

跨中挠度计算结果为271mm，限值(L/600)为450mm。

验算结果表明，结构挠度满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)的技术要求。

5 桥梁主要参数对比

为了分析本文试设计桥梁的材料经济性指标，对比了国内已建跨径相同的PC桥梁的参数，见表4。

由表4可见，大跨波形钢腹板桥较常规PC增加了波形钢腹板及RPC的用量，但其它预应力材料、混凝土材料及普通钢筋的用量指标降低。综合表4中材料指标及市场材料单价可以计算得出试设计的大跨波形钢腹板RPC桥较虎门大桥辅航道桥的工程造价节省约3%。虽然大跨径波形钢腹板RPC桥对比常规PC桥的经济性能优势不太明显，但此类桥梁可以解决常规PC桥出现的腹板开裂及跨中下挠等病害，具有推广应用的意义。

表4 桥梁主要参数对比

6 结语

(1)波形钢腹板梁桥与PC梁桥的整体受力性能相似，仅钢腹板等局部受力性能不同。结构自重和腹板屈曲稳定是影响波形钢腹板梁桥跨度的两个影响因素。通过采用RPC顶板、双肢波形钢腹板等方式减轻结构自重，采用双肢波形钢腹板形式并在双肢腹板间增加加劲板等措施解决腹板稳定性问题后，理论上波形钢腹板梁桥的跨度可提升至PC梁桥的跨度。

(2)对155m+270m+155m三跨连续刚构桥进行试设计及建立有限元模型分析计算。计算结果表明：结构的各项指标均满足现行规范的技术要求，结构试设计拟定的尺寸基本合理，结构跨度可达到270m。

(3)箱梁顶板采用高强材料减薄桥面板厚度，减轻结构重量，结构整体受力得到进一步改善。若波形钢腹板桥底板的厚度采取减薄措施或也采用RPC材料后，桥梁的跨径有望可进一步加大甚至超过300m。

(4)对比国内已建跨径相同的常规PC梁桥，大跨径波形钢腹板RPC桥的经济性能优势不太明显，但此类桥梁可以解决常规PC桥出现的腹板开裂及跨中下挠等病害，具有推广应用的意义。