浅谈波纹钢腹板预应力混凝土连续箱梁的设计

解冰 罗旭 曲研

一、预应力混凝土连续箱梁存在的问题概述

1.预应力混凝土连续箱梁下挠的原因分析

（1）在桥规中没有确定PC梁桥的恒载跨中挠度允许值，通常误以为简单用L/600值（L为主跨跨径）来替代该限制，由此进行设计容易造成结构变形过大而产生大量裂缝等病害，根据相关调研结果，应明确PC梁桥跨中砼徐变挠度的允许值为L/1600，以此作为控制梁变形的重要指标。

（2）产生初始挠度的主要原因是梁内存在弯矩差Me=MT-Mg所致。其中MT是梁内预应力弯矩，Mg悬臂施工自重弯矩。如果在设计实行“恒载零弯矩”理论，即有意识使MT=Mg，从而Me≈0，合拢时初始挠度就接近为零，这样运营后砼徐变挠度ft也不大，就能做到ft≤L/1600，基本不开裂。

（3）适应加大梁高（宽度不加）是减少跨中挠度的重要手段。特别要加大跨中梁高，达到支点梁高的1/2水平。泰和赣江公路大桥（155m）是大跨径公路桥首次有意识采用该方式来控制挠度的桥梁，具有示范性意义。铁路桥梁很少出现跨中下挠过大的主要原因也是由于其跨中梁高一般取为支点梁高的一半，但目前公路桥普遍采用跨中梁高为支点的1/3。

（4）很多预应力混凝土连续箱梁虽然设置了预拱度，但是由于没有消除梁内弯矩差Me，因此它就不能改变砼徐变下挠的绝对值，只能改善桥面线型，当预拱度值越大则以后下挠的程度也越大。

2.预应力混凝土连续箱梁腹板开裂的主要原因分析

众所周知，中小跨径PC箱梁腹板开裂是长期普遍存在的病害，综合归纳国内研究成果，其原因主要如下：

（1）砼材料性能差。砼材料的容许抗剪应力[τ]=-2.7MPa，容许主拉应力[σ]=-3.2MPa，仅为容许压应力[σ]=19.5MPa的（1/7-1/6），这是砼材料先天性的缺陷。

（2）工艺不当。箱梁腹板常用精轧螺纹粗钢筋竖向预应力来弥补腹板抗剪能力的不足。但国产高强精轧螺纹粗钢筋的生产质量不稳定，在工艺上不能实现多次重复补张拉，造成设计的竖向预应力失效，这是腹板开裂的重要原因之一。

（3）设计计算存在问题。国内桥梁行业的工程实践表明，PC连续梁的主拉应力验算经常在计算中被忽视，使得腹板存在开裂的隐患。

（4）超重车的管制不足。在国内，总重130t～150t的超重车在公路和桥梁上屡禁不止，大大超出了桥规的设计标准车的重量，这也是造成腹板开裂的原因。

二、波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的崛起与发展

由于波形钢腹板具有优异的抗剪性能，能够彻底解决砼腹板开裂的顽症，通过加大梁高来提高抗弯刚度，能有效地控制跨中持续下挠，克服了PC箱梁的两大弊病，促进了大跨度连续梁桥的发展。上世纪90年代，日本在引进波形钢腹板PC组合箱梁后，对其进行了深入研究和推广发展，成为世界上修建此类桥梁最多的国家，迄今为止已经建成200余座。目前日本新名神高速安威川桥（主跨170m）为世界上最大跨径波形钢腹板PC刚构桥。

我国90年代末才引进波型钢腹板-PC箱梁研究，起步较晚但发展迅速，在21世纪中旬才相继建成第一座人行桥（江苏淮海长征桥）。2005年建成河南泼河大桥（47+52+47=146m）是第一座高速公路波腹PC连续梁桥。2011年竣工的山东鄄城黄河大桥（70+11×120+70=1460m），是第一座采用悬臂浇筑连续梁桥，也是世界上最长和最大规模的连续梁。该桥建成标志着中国波形钢腹板-PC箱梁桥已进入世界先进水平之列。据不完全统计，目前中国已建成各类波形钢腹板-PC箱梁近30座，正在施工和筹建的近40座。可以预见中国正迈入一个新的发展阶段，波形钢腹板PC组合箱梁应用的春天正在形成。

波形钢腹板-PC箱梁桥在国际上属成熟技术，但在我国还属于新技术推广应用阶段。目前大多数为支架现浇连续梁，在斜拉桥和拱桥等桥型推广刚起步；施工方法已实施简支吊装、挂篮悬浇和顶推等工艺。综合评定中国波形钢-PC箱梁桥的设计和施工水准，属发展初期，以学习日本经验为主，在自主创新方面做得不够：目前波形钢腹板连续梁的跨径L不超过160m，单箱单室的桥宽L不大于18m。与PC箱梁桥比较，波形钢腹板仅减轻腹板重量20%，对于大跨径桥梁而言，其节省效果不明显。在我国山区尤其是西部山区高速公路中的高墩大跨桥梁工程中，迫切需要波形钢腹板-PC刚构桥200m桥跨以上的突破。

应当指出，目前在建的波形钢腹板-PC箱梁桥设计中，还没有考虑“悬臂施工恒载零弯矩设计”。例如，山东鄄城黄河公路桥合拢前初始挠度按L/600为限值控制，导致其刚度不足，在砼徐变作用下，跨中挠度将持续增长，可能会出现类似于PC连续箱梁的病害情况。

三、双肢波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的提出及设计方案

1.双肢波形钢腹板PC连续箱梁概述

日本国土狭窄，修建大跨径波形钢腹板PC箱梁的经验其实也不算多（丰田巴川桥的连续梁最大跨径L=164m）。目前，制约波形钢腹板-PC箱梁跨径发展的关键在于单肢波形板屈曲失稳问题，从而导致波纹钢腹板的竖向高度h没有突破10m，进一步影响该类桥的梁高及跨越能力。日本在建安威川桥腹板最大高度h=9.55m，相应最大跨径L=170m，这还远不能满足目前对波纹钢腹板-PC箱梁在跨越能力上的期望，迫切需要解决波形钢腹板的屈曲失稳问题。

华东交通大学上官兴、徐海燕教授自2010年以来，组织三位研究生对双肢并列的波形钢腹板进行了系统研究，其中腹板的间距2m左右，其间用套筒螺栓沿高度布置来减少波形钢板的自由长度，并按恒载零弯矩理论所得到的跨径与梁高的关系。研究表明实现恒载悬臂施工“零弯矩”，所需要的支座梁高在（L/16）到（L/12）之间（L为主跨跨径），大于一般预应力混凝土连续箱梁的取值L/18。此外，由于波形钢腹板重量只有砼的1/9，故适当加大腹板高度既不会显著地增加结构的自重，又能增大截面的抗弯性能及加大梁内预应力的效果。

2.初拟双肢波形钢腹板PC连续箱梁设计方案

以某大桥的初步设计为背景，拟定双肢波形钢腹板PC连续箱梁的设计方案，考虑到该桥的单孔通航净宽为136m，净高为8m，水流中心与桥纵轴成97 斜交，拟将主跨跨径定为180m。该方案桥宽为16m，横桥向共设置两组四条1600型的波形钢I字梁腹板。双肢波形钢腹板的间距为2.0m，支点梁高取12m，跨中梁高6m，当腹板高度超过6m时，两肢波形钢腹板沿竖向每2.5m设置一道套筒螺栓，以减小高度方向的自由度。对梁高超过7m的梁段，在双肋波形钢之间回填C50砼，用以降低截面重心和增大顶板预应力的力臂，并通过这种做法解决了波形钢腹板的屈曲失稳问题。

四、结语

综上所述，可得到以下结论：

1.造成国内大跨度预应力混凝土连续箱梁跨中下挠和腹板开裂的主要原因为跨中梁高设置不足，设计没有践行“恒载零弯矩”的理念，超重车的违规行驶等。

2.波纹钢腹板自重轻，刚度大，抗剪能力强，非常适合于大跨度连续箱梁的应用，但由于单肢波纹钢腹板的屈曲失稳问题，制约其发展，且目前国内外尚缺少大跨度波纹钢腹板连续箱梁的设计经验。

3.通过采用双肢波纹钢腹板的方式，辅以相应的构造措施，可解决波形钢腹板的屈曲失稳问题，但目前业内需要加强该种桥型的工程实践，进一步提高其跨越能力，为我国的交通建设事业服务。