波形钢腹板PC箱梁桥设计方法与受力性能研究

刘杰

(广州市市政工程设计研究院,广东广州 510060)

波形钢腹板PC箱梁桥设计方法与受力性能研究

刘杰

(广州市市政工程设计研究院,广东广州 510060)

北江四桥南北引桥采用波形钢腹板组合箱梁桥，该种桥梁具有外形美观、工程总造价低、抗震性能好、预应力施加效率高、腹板抗剪能力和结构耐久性好、后期张拉换索简单易行等优点。基于50 m跨径建立有限元模型,得到全桥纵向内力分布情况。结果表明，各种工况下结构整体受力及屈曲稳定性均满足规范要求。

波形钢腹板；屈曲稳定；剪力连接件；有限元分析

0 引言

波形钢腹板箱梁桥源于法国，近年来在中国得到了深入的研究与广泛的应用，它是以波形钢板代替混凝土作为箱梁的腹板并采用体外预应力的新型钢-混凝土组合结构［1-2］。与传统的混凝土腹板箱梁相比, 波纹钢腹板预应力组合箱梁自重较轻，可以提高预应力的效率和减少预应力钢材用量,波纹钢腹板对上、下缘混凝土的徐变、干燥收缩变形不起约束作用,体外预应力束可以替换，对以后的维修加固也较方便。

本文针对北江四桥南北引桥设计与计算过程中的截面设计、波纹钢腹板的受力及屈曲稳定性、剪力连接键的设置以及主梁整体结构受力分析等关键性问题进行介绍,从而为今后波形钢腹板预应力组合梁的设计与计算提供参考。

1 工程概况

北江四桥及南北引道工程位于清远市燕湖新城内，线路规划为一级公路，设计车速60 km/h。桥梁全长1 452 m (含两端引桥和主桥)，双向6车道。其中主桥长418 m，主桥宽42 m；引桥长1 034 m。桥跨布置为4×30 m+8×50 m+100 m+218 m+100 m +5×50 m +8×30 m。引桥30 m及50 m跨径为现浇预应力混凝土波形钢腹板组合箱梁桥。主梁为C50混凝土，钢腹板采用Q345qd钢材。截面形式见图1所示。

图1 桥梁的标准横断面图(单位：cm)

2 波形钢腹板组合箱梁设计

波形钢腹板组合箱梁桥的设计主要包括主梁设计、预应力体系设计、波形钢腹板设计、抗剪连接件设计等。

2.1 主梁设计

引桥50 m跨径上部单幅箱梁采用单箱三室断面,箱梁顶宽19.25 m，箱梁底宽13.5 m，翼缘悬臂长2.5 m，悬臂端板厚0.2 m，悬臂根部厚0.5 m。梁高2.8 m，箱梁顶板厚0.27 m，底板厚0. 25 m。由于桥梁较宽，需设横隔板以增强抗扭刚度和横向刚度，同时兼做体外束的转向装置。根据体外束转向器的位置及结构受力需要，在每跨各设置3道横隔板。

2.2 钢腹板设计

2.2.1 主梁波形钢腹板构造尺寸

箱梁腹板采用波形钢腹板,钢材类型为Q345qD,抗拉强度设计值为275 MPa、抗剪强度设计值为160 MPa。规范规定常用波形钢腹板的形状有3种,即1600型、1200型和1000型,波形钢腹板的波形形状包括波高、厚度、腹板倾斜角度等,除满足力学要求外，还应根据施工可行性、经济性、景观性等各方面因素考虑。经论证比较,该桥选用1600型，波长为1 600 mm、波高为220 mm、斜板段水平长度为430 mm, 钢板厚度为16 mm，钢板高度为1 880 mm。节段之间的钢腹板连接距离节段划分线外80 cm。波形钢腹板构造尺寸如下图2所示：

图2 1600型波形钢腹板大样图(单位：mm)

2.2.2 波形钢腹板局部屈曲稳定验算

局部屈曲是指波形钢板在一个波幅内的屈曲，其弹性局部屈曲临界应力可按下式计算［3］：

式中：k为剪切屈曲系数;E为钢材的弹性模量;v为钢材的泊松比;hw为波形钢腹板高度; tw为波形钢腹板厚度。

局部屈曲临界应力应满足式(2)的要求∶

式中：τy=199.2 MPa。

根据式(1)，计算得本桥弹性局部屈曲临界应力为1 387 MPa，满足式(2)设计要求。

2.2.3 波形钢腹板整体屈曲稳定验算

整体屈曲是指波形钢板整体的屈曲，其弹性整体屈曲临界应力可按下式计算：

式中∶β为波形钢腹板整体嵌固系数(偏安全取1.0); Ix为单位长度绕波形钢腹板顺桥向中性轴的惯性矩; Iy为单位长度对波形钢腹板高度方向的惯性矩;

整体屈曲临界应力应满足式(4)的要求∶

根据(3)式，计算得本桥弹性整体屈曲临界应力为4 045.4 MPa，满足(4)式设计要求。

2.2.4 波形钢腹板合成屈曲稳定验算

合成屈曲是指波形钢板局部屈曲与整体屈曲的复合形式，其屈曲临界应力可按下式计算：

合成屈曲临界应力应满足式(6)的要求∶

根据(5)式，计算得本桥复合屈曲临界应力为1 382.2 MPa，满足(6)式设计要求。

2.3 预应力体系设计

2.3.1 预应力钢束布置

波形钢腹板箱梁桥梁的纵向预应力筋分为体内束和体外束,体内束布置于顶底板用于承受恒载。体外束用于承受车辆等可变活载。50 m标准跨在顶板布置8束体内束,底板布置12束体内束,顶底板钢束分别由13及17股直径为15.2 mm的钢绞线组成,其标准抗拉强度1 860 MPa,张拉控制应力为1 375 MPa。混凝土强度达到设计强度的90%后,进行预应力束的张拉。该桥每跨共设12束体外束,体外束采用S6型环氧喷涂外包PE防护套的无黏结成品索。钢束由15-19型的钢绞线组成,其标准抗拉强度为1 860 MPa,张拉控制应力1 116 MPa，并采用配套的锚具。

2.3.2 减震器设置

体外索的锚固点与弯折点之间或者两个弯折点之间的自由段长度不宜太长,否则宜设置防震动装置,以避免微震磨损［4］。规范规定，除非震动分析许可,体外预应力束的自由段长度不应超过8 m，超过时应设置预应力筋的减震装置。

2.3.3 转向装置

该桥结合构造要求，将横隔板与转向块作为一体，体外预应力转向装置是体外索在跨径内唯一与混凝土体有联系的构件,体外索转向器的弯曲半径,就钢绞线的受力而言越大越好, 但弯曲半径设定过大,弯向部的尺寸就变大,从而会增加桥梁自重,因此在确保安全的情况下, 转向器的弯曲半径要尽量做小。

2.4 抗剪连接件设计

波形钢腹板与混凝土顶板和底板的连接方式有埋入式连接、角钢剪力键连接、双PBL键连接和单PBL加栓钉键连接。该桥采用单PBL和栓钉键连接。开孔钢板及翼缘板厚16 mm,贯穿孔直径为60 mm,间距150 mm,贯穿钢筋采用直径为25 mm的HRB400钢筋,连接件的开孔钢板的高度为160 mm,焊钉连接件的焊钉采用M19的普通焊钉,焊钉高150 mm。波形钢腹板上下翼缘及PBL开孔钢板连接件每隔2个波长处截断布置，以减少由翼缘板引起的预应力损失。

3 主梁整体受力性能分析

3.1 有限元计算方法及模型

该文采用桥梁专业软件进行桥梁整体受力计算,计算时按以下假定进行结构分析，即：(1)波形钢腹板与混凝土顶底板共同工作，不会发生相对滑移或剪切连接破坏；(2)波形钢腹板不受轴力，弯矩仅由混凝土顶底板构成的断面承担；(3)箱梁纵向弯曲时符合平截面假定；(4)剪力由波形钢腹板承担且剪应力均匀分布。全桥共划分为53个单元，54个节点。计算模型如图3所示。

图3 桥梁的有限元模型

3.2 承载能力极限状态计算结果分析

波形钢腹板预应力混凝土组合桥梁设计中采用的作用及作用效应组合应符合《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)或《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)中的规定。其纵、横向应根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)的规定进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算。在计算中体外预应力钢筋的张拉控制应力及预应力损失按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定采用。作为抗拉钢筋进行截面抗力计算时，体外预应力钢筋的极限应力设计值应取其有效预应力值增加100 MPa。根据计算结果，在承载能力极限状态基本组合下，内力包络图如4图所示。

图4 承载能力组合下的弯矩包络图(单位:kN·m)

经计算跨中抗弯承载力为199 799 kN·m，墩顶处抗弯承载力为118 406 kN·m，结果表明正截面在持久状况承载能力极限状态下受力满足要求。

计算截面偏安全取支座处，其剪力值为18 543 kN，该处波形钢腹板波的断面面积为120 320 mm2，则波形钢腹板的弯曲剪应力为154.1 MPa，小于屈服应力200 MPa，见图5，满足规范要求。

3.3 正常使用极限状态计算结果分析

图5 承载能力组合下的剪力包络图(单位:kN)

波形钢腹板预应力混凝土组合桥梁正常使用极限状态设计中采用的作用效应组合应符合长期组合及短期组合。根据计算结果，在长期组合作用下，截面最小压应力为1.0 MPa，未出现拉应力，在标准组合下，最大压应力为15.7 MPa，见图6和图7满足规范要求。

图6 长期荷载组合下的截面正应力值(单位：MPa)

图7 标准荷载组合下的截面正应力值(单位：MPa)

4 结论

波形钢腹板组合桥梁较一般预应力混凝土结构具有造型美观、自重轻等优点，降低了下部结构及工程总费用。通过对北江四桥引桥50 m波形钢腹板组合箱梁进行设计与受力分析可知，该桥整体计算在各种组合工况下均满足受力要求。波形钢腹板在设计荷载下剪应力及各种屈曲稳定性均满足设计要求。

［1］ 陈宜言. 波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工 ［M］. 北京∶人民交通出版社, 2009.

［2］ 李淑琴，万水，张长青.波形钢腹板设计与制造［M］. 北京∶人民交通出版社, 2011.

［3］ DB 41/T 643-2010，公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范［S］.

［4］ 吴继峰，汤意.卫河大桥波形钢腹板箱梁的设计［J］.公路，2010 (1)：57-61.

U442.5

B

1009-7716(2015)08-0040-03

2015-03-31

刘杰(1981-)，男，内蒙古赤峰人，硕士，工程师，从事市政工程结构设计与研究工作。