某波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计

郝 一 果

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原　030002)

波形钢腹板组合箱梁桥相对于混凝土箱梁桥，是以波形钢板代替混凝土作为箱梁的腹板，从而减轻主梁自重，减少施工工序，还能避免腹板开裂等混凝土箱梁缺陷，因此成为组合结构箱梁的一个重要发展方向。近年来，各地陆续修建了波形钢腹板组合结构桥梁，涉及简支梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥等各种桥型。

1　工程概况

太原市凯旋路南沙河桥梁分为主线桥及两侧辅路桥，主线桥依次跨过规划路、南沙河及其两侧抢险路、朝阳街等相交道路、河流，辅路桥跨过南沙河及其抢险路与两侧道路平交，其中，东侧辅桥为新建桥梁，西侧辅桥为现状桥梁改造利用。

新建主线桥及辅桥上部结构均采用波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，桥宽16 m，均为单箱三室断面，梁高2.5 m；综合考虑桥下景观，结合现状桥跨径以及河道、道路线位，主线桥上部结构分为三联，跨径布置为(35+2×40+35)+(3×40+35.5)+(32.5+3×40)；辅路桥跨径布置为4×40 m，下部结构采用双肢花瓶墩，基础均为钻孔灌注桩基础。

2　结构设计

波形钢腹板组合箱梁结构设计主要包括以下几个方面。

2.1　主梁构造

经过综合考虑美观、桥梁横向受力等问题，本桥最终横断面为外侧倾斜腹板的单箱三室等截面箱梁，外侧腹板倾角为10°，中腹板为直腹板，见图1。

箱梁主体结构采用C55混凝土，标准段顶、底板厚均为25 cm，支点附近加厚至45 cm，加腋处均高20 cm，钢腹板竖直方向高度160 cm。

波形钢腹板PC箱梁桥与常规的混凝土腹板PC桥相比，抗扭刚度较弱，为提高抗扭刚度和横向刚度，参考相关研究资料[1]，箱梁内间隔10 m左右设置一道横隔板，每跨内设置3道，横隔板厚35 cm，上、下通过加腋与顶、底板连接，相应位置处钢腹板上焊接螺栓后浇筑混凝土，横隔板设置人洞供施工及检修使用。端横梁厚150 cm，中横梁厚200 cm，横梁与波形钢腹板之间设置3 m长钢—混凝土组合式的内衬混凝土段，支点附近顶底板设置变厚过渡段，以利于刚度过渡。

2.2　预应力体系

箱梁纵向按预应力混凝土A类构件设计，相较于一般波形钢腹板箱梁桥，本桥由于跨径相对较小，梁高较低，布置体外预应力束的条件有限，难以发挥体外束的优点，同时为避免后期体外束的养护、检修，故本桥仅在箱梁顶、底板内设置预应力钢束。

桥梁主要钢束设置为：顶板内设置6-12Φs15.2的通长钢束，在墩顶附近交错设置12-13Φs15.2的短钢束，以满足墩顶负弯矩受力要求；底板内设置16-16Φs15.2的通长钢束。此外，在边跨局部调整钢束的数量以适应不同跨度的受力要求。钢束均采用高强度低松弛预应力钢绞线，施工时首先张拉横梁钢束、后张拉纵向预应力钢束。

2.3　波形钢腹板

波形钢腹板选用交通部行业标准《组合结构桥梁用波形钢腹板》中BCSW1600型，水平幅宽430 mm，斜幅水平方向长370 mm、波高220 mm，弯曲半径为15t(t为钢板厚度)，材质为Q345D钢材。

根据相关计算理论[2,3]，波形钢腹板组合箱梁桥剪力由波形钢腹板承担且剪应力均匀分布，由于本桥未设置体外束，故全部剪力由钢腹板承担，此外，钢腹板还需满足剪切屈服稳定(包括整体屈曲、局部屈曲、组合屈曲)，经计算确定，不同位置处钢腹板厚度分别为18 mm,16 mm,14 mm,12 mm。

为方便施工，钢腹板之间纵向连接时，首先采用螺栓定位，然后以贴角焊接连接，与上下翼缘板的焊接采用全熔透焊接，为避免疲劳破坏，竖向焊缝与水平焊缝交织处设过焊孔。

2.4　波形钢腹板与混凝土部分的连接设计

波形钢腹板与混凝土的连接部位主要包括：钢腹板与混凝土顶、底板之间；钢腹板与混凝土横梁之间；钢腹板与内衬混凝土段、横隔板之间。

在波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥结构设计中，钢腹板与混凝土顶、底板的连接是设计的关键，必须有效地控制钢腹板和混凝土之间的水平剪切力，以确保桥梁运营时，两种不同材料之间不产生相对位移，同时，该处还需抵抗由车轮荷载产生的横向角隅弯矩。

本工程中，波形钢腹板与混凝土顶板采用T-PBL式(双开孔板式)连接，翼缘钢板厚(t+2)mm(t=12时，翼缘钢板厚16 mm)，开孔钢板厚度为t，孔径60 mm，孔内贯穿直径25 mm的HRB400级钢筋，孔距150 mm；腹板与底板采用S-PBL+焊钉方式连接，翼缘钢板厚(t+2)mm(t=12时，翼缘钢板厚16 mm)，单开孔钢板厚度为t，孔径60 mm，孔内贯穿Φ25横向钢筋，孔距150 mm；两侧按纵向150 mm的间距焊接200 mm长M22栓钉，见图2，图3。

钢腹板进入横梁时，采用埋入式连接方式，在平波段上开双排孔，设置Φ25穿孔钢筋，同时设置一排φ22剪力键。

组合箱梁纵向在支座附近设波形钢腹板现浇内衬混凝土，以保证腹板剪力能有效传递至桥墩，并可防止波形钢腹板屈曲，内衬混凝土与波形钢腹板通过φ22剪力键连接。波形钢腹板与横隔板通过平波段焊接双排剪力键连接。

3　结构计算

根据相关计算理论，假定钢腹板与顶、底板之间不发生滑移；截面应变分布符合平截面假定；弯矩全部由混凝土顶底板构成的截面承受，剪力全部由钢腹板承担且剪应力均匀分布，弯矩和剪力不发生相互作用。

采用桥梁博士软件对全桥进行计算，此处以主线桥第一联(35 m+2×40 m+35 m)为例，列出主要计算结果。

3.1　强度验算

表1　箱梁正截面抗弯承载力验算表

由表1可知，承载能力极限状态下，桥梁抗弯承载力验算满足JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范要求。

3.2　抗裂验算

短期效应组合下，跨中底缘应力为2.6 MPa压应力；长期效应组合下，截面顶底缘未出现拉应力，均满足规范相关条款的要求。

3.3　挠度验算

表2　箱梁挠度验算表

消除结构自重产生的长期挠度后，主梁在使用阶段的最大挠度计算结果见表2。

由表2可知，箱梁在正常使用极限状态下挠度验算满足规范要求。

3.4　钢腹板验算

根据前述计算假定，全部剪力由4道腹板平均分担，18 mm,16 mm,14 mm,12 mm厚度的钢腹板最大应力依次为78 MPa,53 MPa,60 MPa,55 MPa，满足要求。

此外，经计算，钢腹板屈曲稳定，钢腹板与混凝土顶、底板连接件的抗剪、抗劈裂、抗滑移等均满足要求。

4　结语

该桥为波形钢腹板箱梁桥，在山西地区最早的大规模应用，2016年建成通车以来的实际运营状况及成桥荷载试验表明，该桥实际性能满足正常使用要求，为单箱多室波形钢腹板箱梁桥的应用积累了技术经验。

参考文献：

[1]李宏江,叶见曙.波形钢腹板箱梁横隔板间距的研究[J].公路交通科技，2004(10)：51-54.

[2]DB44/T 1393—2014,波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程[S].

[3]陈宜言，王用中.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.