精品資料（2021-2022年收藏的）波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁連續(xù)梁橋

1、波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁連續(xù)梁橋 山東鄄城黃河公路主橋工程簡介王健1 孟磊2 王用中3圖1 鄄城橋主橋效果圖在建鄄城黃河公路大橋是一座橫跨黃河的特大橋梁，地處山東省南部鄄城縣以北，位于山東與河南兩省交界處，它是規(guī)劃建設(shè)的德（州）至商（丘）高速公路的一個重要控制工程。大橋橋孔布置為（由北向南）：9×50 m折線配筋先張預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁橋面連續(xù)（70 m11×120 m70 m）波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁58×50 m折線配筋先張預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁橋面連續(xù)。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋于上世紀(jì)八十年代由法國開發(fā)，此后在日本得到推廣應(yīng)用，截止2008年底已建在建該類橋

2、梁總數(shù)已達(dá)130多座，目前已為日本高速公路普遍使用的橋梁形式。表1列出了近年來日本興建的12座規(guī)模較大的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼橋。在我國，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁成規(guī)模的應(yīng)用，鄄城橋尚屬首次。70 m11×120 m70 m這樣的多跨大跨度波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁在規(guī)模上亦突破了法國、日本的現(xiàn)有紀(jì)錄。本文將較詳細(xì)的介紹其有關(guān)情況，以饗讀者。表1 日本波形鋼腹板橋編號橋梁名施工方法構(gòu)造形式橋長(m)跨徑布置(m)竣工年份1矢作川橋（東）懸臂施工4跨預(yù)應(yīng)力斜拉橋820.0 173.42×235.0173.420052日見夢大橋懸臂施工4跨部分斜拉橋495.0 137

3、.6170.0115.067.620033朝比奈川橋懸臂施工7跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)670.7 81.2150.491.273.294.7104.873.220084宮家島高架橋懸臂施工23跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱1432.0 51.27×53.054.085.053.03×52.058.560.0101.520075栗東橋懸臂施工4跨部分斜拉橋495.0 137.6170.0115.067.620086上伊佐布第三高架橋懸臂施工5跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)449.0 53.0105.0136.099.053.020077谷津川橋懸臂施工5跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱383.5 43.891.0135.074.0

4、37.320088中一色川橋（上）懸臂施工5跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱535.4 71.33×130.071.320079菱田川橋懸臂施工8跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)688.0 64.93×105.0124.075.054.052.9200810入野高架橋支架施工10跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱679.0 56.73×58.080.0124.080.02×58.045.7200711前川橋懸臂施工5跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱500.0 76.8120.0104.0120.076.8200812池山高架橋懸臂施工10跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)941.0 46.5104.0114.099.04×106.5

5、98.050.5200613中一色川橋（下）懸臂施工6跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)粱574.3 62.83×112.0110.561.32007圖2 波形鋼腹板箱梁示意圖1.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)優(yōu)點顧名思義，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁就是用波形鋼板取代預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其顯著特點是用10 mm左右厚的鋼板取代厚3080 cm厚的混凝土腹板。鑒于頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力束放置空間有限，導(dǎo)致體外索的應(yīng)用則是波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的第二個特點。兩個構(gòu)造特點使波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋相比有如下優(yōu)點： （1）經(jīng)濟效益顯著，抗震性能好：采用波

6、形鋼腹板代替厚重的砼腹板，減輕了上部結(jié)構(gòu)的自重2030%, 從而使使上、下部結(jié)構(gòu)的工程量獲得減少，降低了工程總造價。由于上部構(gòu)造的減輕、波形版的褶皺效應(yīng)，箱梁的抗震性能得到改善。（2）結(jié)構(gòu)受力合理、提高材料的利用率：在波形鋼腹板PC 箱梁橋中的砼均集中在頂、底板處, 回轉(zhuǎn)半徑幾乎增加到最大值, 大大地提高了截面的結(jié)構(gòu)效率；受力時砼用來抗彎, 而波形鋼腹板用來抗剪，彎矩與剪力分別由頂、底板和波形鋼腹板承擔(dān)，其腹板內(nèi)的應(yīng)力分布近似為均布圖形, 而非傳統(tǒng)意義上的三角形, 有利于材料發(fā)揮作用；波形鋼腹板PC 箱梁橋采用體外預(yù)應(yīng)力承受活載, 因而即使在長期運營后, 體外預(yù)應(yīng)力索出現(xiàn)磨損或斷裂時,也可以在

7、夜間停止車輛通行后對其進行更換，以恢復(fù)承載力和進行結(jié)構(gòu)加固。（3）施工方便、提高施工速度：由于梁體自重的減輕, 懸臂施工時, 可減少節(jié)段數(shù)量，因而可短縮工期；懸臂澆注時鋼腹板可用作掛籃的組成部分、頂推施工時可以用腹板作導(dǎo)梁、現(xiàn)澆時可省略腹板模板，從而方便施工、節(jié)省施工成本。如日本本谷橋在采用砼腹板箱梁時需要39 個節(jié)段, 而采用波形鋼腹板后只需要31個節(jié)段, 節(jié)段數(shù)減少了20% ；鄄城橋120米標(biāo)準(zhǔn)跨初步設(shè)計節(jié)段數(shù)為31，現(xiàn)設(shè)計為23，因而可以大大地加快施工速度, 縮短工期。（4）節(jié)能環(huán)保、造型美觀：作為鋼混組合結(jié)構(gòu)，波形鋼板的應(yīng)用可節(jié)省橋梁混凝土用量、增大鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用，這符合節(jié)能環(huán)保原則，而且

8、波形鋼腹板形態(tài)生動、顏色鮮艷，可使橋梁獲得較強的美感，亦可很好的與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，是高速公路、山區(qū)、風(fēng)景區(qū)較好的橋型選擇。2.波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋力學(xué)特性與設(shè)計計算要點圖3 橫斷面及斷面應(yīng)力分布2.1 箱梁的豎向彎曲波形鋼腹板豎向彎曲符合如下假定：（1）忽略波形鋼腹板的縱向抗彎作用 波形鋼腹板在縱向由于折皺效應(yīng)，宛如手風(fēng)琴一樣可以自由伸縮，其縱向抗拉壓剛度很小，一般用表觀彈性模量來表示其剛度的降低。表觀彈性模量具體表述為EE0/(t/h)2，式中E0為鋼板的彈性模量，h為波形鋼腹板高度，t為波形鋼腹板的厚度，波形鋼腹板的形狀系數(shù)。鄄城黃河橋算得Emax=E0/531，而鋼板厚度僅為81

9、4 mm，故設(shè)計時可以認(rèn)為波形鋼腹不承受軸向力即近似認(rèn)為波形鋼腹板不抵抗軸向力與正彎矩，其斷面抗拉壓面積、抗彎慣矩計算可僅考慮混凝土頂、底板。圖3示出了鄄城黃河橋典型設(shè)計橫斷面及相應(yīng)的抗軸向力、正彎矩折算斷面；豎彎時斷面正應(yīng)力與剪應(yīng)力的分布。 （2） 在豎向荷載作用下正彎曲平面假定成立 對一般鋼-混凝土組合梁而言，在計算豎向彎曲時普遍采用了平截面假定，理論和實踐證明在忽略波形鋼腹板與混凝土之間的滑移與波形鋼腹板豎向壓縮變形的前題下，對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的豎向彎曲平截面假定依然成立，且剪應(yīng)力沿高度均勻分布。(3) 彎矩僅由頂?shù)装鍢?gòu)成的斷面抵抗，而剪力則完全由鋼腹板承擔(dān) 且剪應(yīng)力在腹板上作

10、均勻分布。有了以上三項假定縱向彎曲計算可藉常規(guī)的方法與程序進行。因波形鋼腹板的手風(fēng)琴效應(yīng)（亦稱褶皺效應(yīng)），波形鋼腹板不承受縱向拉、壓力，于縱向彎曲計算中可不計入腹板的影響，導(dǎo)致波形鋼腹板PC箱梁橋剛度較一般PC箱梁要小，表2為波形鋼腹板橋梁和一般混凝土腹板橋梁的截面剛度的比較例子，于本例中可以看出與一般的PC箱梁橋梁（混凝土腹板）相比，波形鋼腹板PC箱梁橋抗彎剛度約為90%、扭轉(zhuǎn)剛度約為40%、剪切剛度約為10%。一般的PC箱梁橋與波形鋼腹板PC箱梁橋截面設(shè)計參數(shù)對比，見圖4。表 2 一般PC箱梁與波形鋼腹板PC箱梁的受力性能比較受力性能單位PC箱梁波形鋼腹板PC箱梁跨中斷面積Am27.125

11、.800.81斷面慣性矩Im46.195.610.91扭轉(zhuǎn)慣矩Jtm412.315.160.42腹板斷面面積Awm22.100.027-彎曲剛度Ec·IkN.m21.92×1081.74×1080.91扭轉(zhuǎn)剛度Gc·JtkN.m21.60×1086.71×1070.42剪切剛度Gc·AwkN2.73×1072.08×1060.08根部斷面積Am214.947.850.53斷面慣性矩Im486.6068.240.79扭轉(zhuǎn)慣矩Jtm495.0427.370.29腹板斷面面積Awm28.190.122-彎曲剛度

12、Ec·IkN.m21.92×1092.12×1091.10扭轉(zhuǎn)剛度Gc·JtkN.m21.60×1093.56×1080.22剪切剛度Gc·AwkN2.73×1089.39×1060.034a）一般的PC橋 b）波形鋼腹板PC橋注：1. 混凝土抗壓強度： 40 N/mm2 ； 2. 混凝土彈性模量：Ec=3.1×104N/mm2；3. 混凝土抗剪彈性模量：Gc=1.3×104N/mm2 ； 4. 鋼板彈性模量：Es=2.0×105N/mm2；5. 鋼板抗剪彈性模量：Gs=7.

13、7×104N/mm2圖 4 一般PC箱梁橋與波形鋼腹板PC箱梁橋截面設(shè)計參數(shù)對比因波形鋼腹板不承受軸向力因而縱向預(yù)應(yīng)力索可集中加載于混凝土頂、底板，從而有效地提高了預(yù)應(yīng)力效率，波形鋼腹板主要承受剪切力，因腹板剪切應(yīng)力較大，且箱梁剪切剛度較小，設(shè)計中應(yīng)注意剪切變形對縱向彎曲撓度的影響。波形鋼腹板PC箱梁橋的抗扭剛度、橫向剛度均較一般的PC箱梁橋小，設(shè)計中宜注意按適當(dāng)間距設(shè)計橫隔以增大其抗扭能力。波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接是保證箱梁整體性的關(guān)鍵構(gòu)造，應(yīng)注意保證其縱向抗剪、橫向抗彎性能。橋梁的振動特性總體上反映了其剛度、質(zhì)量分布的合理性，上述波形鋼腹板PC箱梁橋相對于PC箱梁橋質(zhì)量、

14、剛度的變化綜合效果，可反映于其振動特性變化上，表3示出了幾座波形鋼腹板PC箱梁橋的振動特性，波形鋼腹板PC箱梁橋振動特性介于PC箱梁橋與鋼橋之間，近似于PC箱梁橋，故其設(shè)計沖擊系數(shù)可采用PC箱梁橋的沖擊系數(shù)。表 3 波形鋼腹板橋的自振頻率與衰減系數(shù)橋名新開橋銀山御幸橋本谷橋騰手川橋小河內(nèi)川橋構(gòu)造形式簡支橋連續(xù)梁連續(xù)剛構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)T梁連續(xù)剛構(gòu)自振頻率(Hz)一階3.9502.7781.6481.8401.756二階5.4003.1671.8312.6952.491三階-3.7103.2353.2205.020衰減系數(shù)一階0.02700.00700.03200.01180.0073二階0.03400

15、.00840.02100.00920.0065三階-0.0095-0.00940.00562.2 波形鋼腹板的剪切屈曲如上述，在豎向彎曲時波形鋼腹板上的剪應(yīng)力分布和傳統(tǒng)的混凝土腹板有所不同, 沿梁高基本呈等值分布。由于軸向壓應(yīng)力較小，鋼腹板可以視為純剪應(yīng)力狀態(tài), 且剪應(yīng)力較大，因此設(shè)計時需要驗算鋼腹板的剪應(yīng)力, 還需要計算鋼腹板的剪切屈曲。一般說來，極限荷載作用時，剪應(yīng)力即使在允許應(yīng)力以內(nèi)時，設(shè)計亦并非可用，由于波形鋼腹板的形狀不同，即使剪應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，板的剪切屈曲也可能發(fā)生，所以對剪切屈曲的安全性驗算必須進行。對波形鋼腹板剪切屈曲安全性計算，可以用有限變形理論的有限元方法作安全性驗算，但

16、實際上，用壓桿的穩(wěn)定性理論的有限元法對波形鋼腹板的屈曲安全性進行計算也可以得到足夠安全性的保證。以壓桿理論為基礎(chǔ)的波形鋼腹板屈曲計算可如圖5所示。為經(jīng)濟合理計，設(shè)計宜控制屈曲發(fā)生在屈服區(qū)、非彈性區(qū)為原則，此時屈曲應(yīng)力一般均大于或近于屈服應(yīng)力，即使剪應(yīng)力低于屈服應(yīng)力時，波形鋼腹板不發(fā)生屈曲，以使材料得以合理應(yīng)用。總之，如圖所示屈曲進入非彈性領(lǐng)域（l s）是容許的，但設(shè)計追求的目標(biāo)卻是l s0.6（l s為剪切屈曲系數(shù)，l s=或l s=）。（屈服區(qū)） t cr ,l=ty l s0.6（非彈性區(qū)） t cr ,l=1-0.614×(l s-0.6).ty 0.6l s（彈性區(qū)） t c

17、r ,l=( ty /t cr ,l)1/2或t cr ,l=( ty /t cr ,G)1/2 l s圖5 考慮了非彈性的剪切屈曲強度線圖6 波形鋼腹板屈曲破壞模式波形鋼腹板的剪切屈曲分三種：局部屈曲、整體屈曲和合成屈曲（如圖6）。（1）局部屈曲的驗算應(yīng)以在極限荷載作用時在剪切屈服應(yīng)力以下不會發(fā)生波形鋼腹板的局部剪切屈曲為控制條件進行驗算。 當(dāng)l s0.6時可導(dǎo)得式1，表示了保證局部屈曲在剪切屈服應(yīng)力以下不會發(fā)生的條件式。 ty /0.6 （式1）式中，彈性局部屈曲臨界應(yīng)力，=(kp2E)/12(1-m2) g 2； k剪切屈曲系數(shù)，k=4.00+5.34/a 2； a縱橫比a=a/h ，但

18、ah； a波形鋼板的板幅； E波形鋼板材料的楊氏模量，E取2.0×105N/mm2； h波形鋼腹板高； m波形鋼板材料的泊松比 0.30 ； g 寬厚比g = t/a； t波形鋼腹板厚； ty剪切屈服點單位應(yīng)力。由計算知局部屈曲控制參數(shù)為板幅a、板厚t、板高h(yuǎn)，當(dāng)t、h設(shè)定后，取決于a，從這個意義上講局部屈曲控制著板幅a的選擇。（2）整體屈曲的驗算應(yīng)以在極限荷載作用時在剪切屈服應(yīng)力以下不會發(fā)生波形鋼腹板的整體剪切屈曲的為控制條件進行驗算。 當(dāng)l s0.6時可導(dǎo)得式2，表示了保證整體屈曲在剪切屈服點單位應(yīng)力以下不會發(fā)生的條件式。ty /0.36 （式2）式中，彈性整體屈曲臨界應(yīng)力，=3

19、6b (EIy)1/4(EIx)3/4h2t；b 兩端支承固結(jié)度系數(shù)（兩端簡支時：b =1.0）；E波形鋼腹板彈性模量，E取2.0×105N/mm2；Ix波形鋼腹板PC箱梁橋軸方向相對重心的慣性矩；Ix= t3 (d 2 +1) / (6h)；d波高板厚比（dd/t）；長度減少系數(shù)(波形鋼腹板沿橋軸方向長度與相應(yīng)展開長度之比)，如1 600/1 712.4=0.934；Iy波形鋼腹板相對高度方向慣性矩，Iy=t3/12(1- m2)；m波形鋼腹板材料的波松比m =0.30 ；h 波形鋼腹板高；t波形鋼腹板厚。由計算知整體屈曲控制參數(shù)為波高d、板厚t、板高h(yuǎn)，當(dāng)t、h設(shè)定后，取決于d，

20、從這個意義上講整體屈曲控制著波高d的選擇。 在這里，波形鋼腹板的固定度系數(shù)b 規(guī)定為1.0，即設(shè)定波形板簡支于橋面板，由于考慮到在極限荷載作用時會在混凝土橋面板上發(fā)生彎曲裂縫，混凝土橋面板與波形鋼板的連接部的剛度會低下，因此采用更b =1.0接近于實際。（3）組合屈曲的驗算 組合屈曲臨界應(yīng)力，如式3所示，能夠用局部屈曲臨界應(yīng)力與整體屈曲臨界應(yīng)力的乘冪和相關(guān)式來表示。tcr=tcr,L1/1+(tcr,L/tcr,G)41/4 （式3）式中：tcr復(fù)合屈曲臨界應(yīng)力； tcr,L局部屈曲臨界應(yīng)力（滿足屈服域條件時，即為鋼板的剪切屈服應(yīng)力）； tcr,G整體屈曲臨界應(yīng)力（滿足屈服域條件時，即為鋼板的

21、剪切屈服應(yīng)力）。當(dāng)l s0.6時，可取tcr,Ltcr,Gty時，tcr0.84ty，即當(dāng)滿足屈服應(yīng)力以下不發(fā)生局部屈曲、整體屈曲條件時，控制在屈服應(yīng)力以下不發(fā)生組合屈曲的條件為t 0.84ty，從這個意義理解波形鋼腹板的組合屈曲強度是對極限荷載作用時的剪應(yīng)力做驗算，其值控制在0.84ty以下。2.3 波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接波形鋼腹板箱梁橋的受力性能取決于鋼腹板與砼頂、底板連接界面處剪應(yīng)力的有效傳遞,因此剪力連接鍵是能否為結(jié)構(gòu)提供足夠完整的組合作用的一個決定因素。波形鋼腹板PC 組合箱梁常見的連接形式有如圖7(a) 示的栓釘連接鍵,即在波形鋼腹板的上下端部焊接鋼制翼緣板,翼緣板上焊接剪

22、力釘,使之與砼板結(jié)合在一起,此剪力鍵僅由栓釘抗剪。埋入式剪力鍵圖7(b) 也是一種新型的剪力連接鍵,它采用在鋼腹板上穿孔,穿過貫穿鋼筋,再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入砼板的方法.它除了貫穿鋼筋和砼抗剪銷抗剪外,埋入砼頂、底板部分的鋼腹板折疊部分也參與抗剪。S-PBL 與栓釘組合連接鍵圖7(c) 是近年來由德國開發(fā)的新型剪力連接鍵,箱梁結(jié)合部的縱向水平剪力主要由穿孔板上的砼抗剪銷和貫穿鋼筋與栓釘來承擔(dān),該連接鍵在施工時水平鋼板可以作為模板,比較方便。Twin - PBL連接鍵圖7(d) 是在單個PBL 連接件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,較之單個PBL 連接鍵,其整體剛度和抗剪強度都得到了進一步

23、的加強。圖7（e）角鋼剪力連接鍵為日本道路公團早期推薦的連接方式。 圖7 (a) 栓釘連接鍵 (b) 埋入式連接鍵 (c) S-PBL連接鍵 (d)Twin-PBL連接鍵 (e)角鋼剪力連接鍵這五種連接構(gòu)造特點見下表：表 4 連接構(gòu)造的特征連接種類結(jié)構(gòu)特點埋入式連接波形鋼板直接埋入混凝土頂、底板；橋軸方向的水平剪力由波形鋼板斜幅間混凝土塊（亦稱抗剪齒鍵）與焊接于鋼板頂端的約束鋼筋（亦稱連接鋼筋）及與橋軸成直角方向的貫穿鋼筋和混凝土銷承擔(dān)；與橋軸成直角方向的彎矩由埋入波形鋼腹板和與橋軸成直角方向的貫穿鋼筋與混凝土銷承擔(dān)；由于系在混凝土中直接埋入鋼板，故從耐久性觀點考慮，在其界面上要注意實行密封。

24、角鋼剪力鍵連接在波形鋼板上下端焊接翼緣板，再在翼緣板上焊接角鋼和U形鋼筋；橋軸方向剪力由角鋼、U形鋼筋承擔(dān)。與橋軸成直角的彎矩由角鋼、U形鋼筋和穿過角鋼的橋軸方向的貫通鋼筋承擔(dān)。Twin-PBL連接在波形鋼板的頂端焊接翼緣板再在其上焊接兩塊帶孔鋼板；橋軸方向水平剪力由填充在孔內(nèi)的混凝土銷及穿過孔的貫穿鋼筋承擔(dān)；與橋軸成直角方向的彎矩由填充孔的混凝土銷與穿孔的貫穿鋼筋抵抗。SPBL連接波形鋼板的頂端焊接翼緣板再在其上焊接一塊帶孔鋼板并焊植栓釘；橋軸方向水平剪力由填充孔的混凝土銷及穿過孔的貫穿鋼筋以及栓釘承擔(dān)；與橋軸成直角方向的彎矩主要由栓釘承擔(dān)；開孔板屬開敞構(gòu)造，多采用與底板的連接。栓釘連接在波

25、形鋼板上下端焊接翼緣板再在其上植焊栓釘；橋軸方向水平剪力由栓釘剪切力承擔(dān)；與橋軸成直角方向的角隅彎矩由栓釘抗拉力承擔(dān)。 考慮這些連接部的橋軸方向的剪切狀況和橋軸直角方向的彎曲狀況下的力學(xué)特性或施工性，其與箱梁頂、底板的連接構(gòu)造可如表5所示分類組合。波形鋼腹板頂、底板的連接構(gòu)造的組合與各自的經(jīng)濟性，如表6所示。表 5 頂、底板的連接構(gòu)造的組合基本連接構(gòu)造分類與頂板連接與底板連接埋入式連接埋入式連接埋入式連接角鋼剪力鍵連接（1）角鋼剪力鍵連接角鋼剪力鍵連接角鋼剪力鍵連接（2）角鋼剪力鍵連接埋入式連接PBL鍵連接（1）TwinPBL連接S-PBL連接+ 栓釘連接PBL鍵連接（2）TwinPBL連接埋

26、入式連接注：表中（1）、（2）為日本高速公路設(shè)計要領(lǐng)建議的工程招標(biāo)用連接方式，（1）用于跨度較大橋梁連接，（2）用于鹽腐蝕環(huán)境不強、跨徑較小的橋梁連接。表 6 頂、底板的連接構(gòu)造的組合與經(jīng)濟性與頂板連接（帶翼緣板）與底板連接經(jīng)濟性角鋼剪力鍵連接埋入式連接4角鋼剪力鍵連接6S-PBL連接+ 栓釘連接5Twin-PBL連接埋入式連接1角鋼剪力鍵連接3S-PBL連接+ 栓釘連接2注：關(guān)于經(jīng)濟性，以1經(jīng)濟性最突出，從1開始順次遞減。圖8 （a）砼齒鍵 (b) 結(jié)合鋼筋參考國外的已建工程,通過模型試驗, 并慮到經(jīng)濟性和施工方便, 鄄城橋采用了埋入式剪力鍵的連接方式。埋入式剪力連接鍵是一種新型的最適用于波

27、形鋼腹板組合箱梁的剪力鍵。它由貫穿鋼筋、混凝土抗剪銷以及埋入部分的鋼腹板共同承擔(dān)水平剪力。偏安全考慮, 在計算中不計入實際上參與抗剪的混凝土銷的抗剪作用, 只將其視為一種安全儲備。埋入混凝土板內(nèi)的波形鋼腹板抗剪齒鍵和約束鋼筋（如圖8）在設(shè)計荷載時的容許剪力： Q1=s1·A1+ms sa·A2，式中：Q1 ：抗剪結(jié)合鍵的容許剪力；s 1 ：混凝土的容許承壓應(yīng)力； A1 ：混凝土齒錠的抗剪正面積, A1=埋入長度×波紋高度； m：和貫穿鋼筋角度有關(guān)的系數(shù)； s sa ：鋼筋的容許拉應(yīng)力； A2：和混凝土齒鍵共同作用的約束鋼筋截面積。2.4 波形鋼腹預(yù)應(yīng)力砼箱形梁的設(shè)

28、計計算如前述波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼箱形梁的設(shè)計計算如同一般預(yù)應(yīng)力砼梁橋設(shè)計計算一樣，主要為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼箱形梁橋的豎向彎曲計算。其計算方法與其受力特點一致。波形鋼腹板取代砼箱梁的砼腹板，給箱梁帶來的最大影響是橫向扭轉(zhuǎn)剛度降低。為提高其抗扭能力，于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中應(yīng)按適當(dāng)距離設(shè)置橫隔板，這些都應(yīng)在設(shè)計計算中反映。圖9為鄄城黃河橋主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算框圖。如前述波形鋼腹板的剪切驗算為波形鋼腹板箱梁橋設(shè)計計算重要課題，鄄城橋關(guān)于這部分的設(shè)計計算框如圖10。 主要計算成果如下：（1）波形鋼腹板箱梁橫向框架計算 根據(jù)橫向框架分析、橫向計算結(jié)果，頂、底板抗彎、抗剪極限承載均滿足規(guī)范要求；持久極

29、限狀況中長期荷載效應(yīng)組合各個截面均為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；短期荷載效應(yīng)組合在頂板跨中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力-1.01 MPa-1.85 MPa，滿足規(guī)范要求；計算受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋最大應(yīng)力為1 198 MPa0.65fpk=1 209 MPa，滿足規(guī)范要求。圖9 整體計算框圖 圖10 剪切計算框圖（2）波形鋼腹板箱梁縱向計算 施工階段壓應(yīng)力均小于0.7fck=22.7 MPa，滿足規(guī)范要求；波形鋼腹板箱梁計算極限彎矩均小于截面抗力，滿足規(guī)范要求；箱梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)，除邊跨上緣個別斷面產(chǎn)生了0.765 MPa的拉應(yīng)力，未滿足短期荷載效應(yīng)全預(yù)應(yīng)力規(guī)范要求外，其余部分均為壓應(yīng)力，滿足要求；箱梁持久

30、狀況和短暫狀況最大正截面壓應(yīng)力為16.1 MPa規(guī)范要求的0.5fck=16.2 MPa,滿足規(guī)范要求；計算受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋最大應(yīng)力為1 200 MPa0.65fpk=1 209 MPa，滿足規(guī)范要求。（3）波形鋼腹板的剪切、穩(wěn)定計算 采用日本道路示方書所示鋼腹板計算公式計算。各截面鋼腹板設(shè)計平均剪應(yīng)力均小于120 MPa的設(shè)計剪應(yīng)力允許值，滿足設(shè)計要求；各截面鋼腹板極限平均剪應(yīng)力均小于199 MPa的極限剪應(yīng)力允許值，滿足設(shè)計要求；通過計算整體屈曲、局部屈曲的剪切屈曲參數(shù)ls0.6均位于屈服區(qū)內(nèi)，符合設(shè)計追求目標(biāo)；鋼腹板極限平均剪應(yīng)力最大值為149.3 MPa小于組合屈曲強度tcr=167.

31、3 N/mm2，滿足設(shè)計要求。（4）波形鋼腹板與混凝土連接部分計算 采用日本道路示方書所示混凝土與鋼腹板連接計算公式計算，鋼腹板斜幅間混凝土鍵驗算、混凝土剪力銷驗算、孔與孔間鋼板剪切破壞驗算、混凝土剪力銷的剪應(yīng)力引起的抗力驗算、波形鋼板埋入段承壓應(yīng)力引起的抗力驗算、因波形鋼腹板板幅受壓而引起的抗力驗算均滿足材料允許值。（5）波形鋼腹板縱向彎曲撓度計算 根據(jù)解析計算，在短期荷載效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)跨中產(chǎn)生最大位移為63 mm，按規(guī)范考慮撓度長期增長系數(shù)1.425后為90 mm120 m/600=0.2 m=200 mm，滿足規(guī)范要求。3.波形鋼板的制作與波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的施工3.1 波形鋼板的

32、制作波形鋼腹板橋梁用的結(jié)構(gòu)鋼主要有橋梁結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 714-2 000）、碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 700）、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1 591）、高耐候結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 4 171-2 000），以及焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼（GB/T 4 172-2000）。其中，碳素結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量等級有A、B、C和D四種，橋梁上只用C級和D級。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼有A、B、C、D和E五種，橋梁鋼只用C、D、E三種，在選用時，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、鋼材厚度和工作環(huán)境等。橋梁用結(jié)構(gòu)鋼多用于鐵路橋梁的主要受力構(gòu)件，同等級的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的性能指標(biāo)差別不大，但價

33、格具有一定的優(yōu)勢，因此在公路橋梁中應(yīng)用較多。一般情況下，波形鋼腹板橋梁的主要受力構(gòu)件鋼腹板，應(yīng)優(yōu)先選用Q345鋼。當(dāng)受力較小，構(gòu)件由最小尺寸或穩(wěn)定控制設(shè)計，或者對整體受力影響不大的次要部位的構(gòu)件，可選用Q235鋼。耐候鋼并不是不發(fā)生銹蝕，而是在使用的初期階段與普通鋼一樣生銹，只是兩者在其后的銹蝕速度不同而已。普通鋼隨著銹蝕的進展，銹層膨脹變厚，F(xiàn)e3O4形成并開始產(chǎn)生裂縫；隨后銹層發(fā)生剝離，從而進一步加劇銹蝕向內(nèi)部進展。而耐候鋼在干燥與潮濕的環(huán)境交替變化中，鋼材表面上形成由Cu、Cr、P等元素濃縮后的致密且連續(xù)的安定銹層，防止其下鋼板的繼續(xù)銹蝕。耐候鋼在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用比較廣泛，加拿大在新建的鋼橋

34、中有90%是用耐候鋼。美國與日本的耐候鋼橋分別占全部鋼橋的45%、10%，橋梁數(shù)分別為4 500座、1 500座，德國與英國分別是從1969年、1970年開始建造耐候鋼橋，韓國從1991年開始生產(chǎn)與出售耐候鋼，于1992年將其應(yīng)用到橋梁上，目前己超過15座，我國則應(yīng)用較少。耐候鋼為我國鋼橋技術(shù)發(fā)展方向。 一般以波形鋼板波幅方向作加工鋼板寬度方向，采購時據(jù)此確定鋼板規(guī)格，波形鋼板制造所使用材料必須有材質(zhì)證明并應(yīng)對其進行復(fù)驗。鋼板壓波成型一般有兩種方法，沖壓法和模壓法（如圖11）。圖11（a）沖壓法圖11（b）模壓法沖壓法的特點：壓制設(shè)備費用較省；由于板材需多次反折移動，厚、重的大板制作較困難；因

35、要進行材料的多次反折，壓波作業(yè)效率低，誤差較難控制。 模壓法的特點：可以用較短時間壓制一個波長；因為可以連續(xù)壓制，故可能盡鋼板長度制作（受運輸長度限制）；壓模的制作費用較高。兩種壓波方法都可采用，唯精度控制以模壓法為佳，若大量生產(chǎn)亦宜用模壓法，為降低生產(chǎn)成本可對波形作定型設(shè)計。板材彎折的冷加工會降低鋼韌性，為此壓波時彎折處內(nèi)側(cè)半徑要以大于板厚的15倍為宜。但若能滿足表7所示的夏比沖擊試驗的要求，且化學(xué)成分中的氮不超過0.006%，內(nèi)側(cè)半徑亦可做成板厚的7倍或5倍以上。若是在與軋制成直角方向處進行冷彎加工時，則應(yīng)當(dāng)采用壓延直角方向的夏比沖擊試驗吸收能量的值。表 7 冷彎加工半徑與沖擊韌性的吸收能

36、量值沖擊韌性吸收能量（J）冷彎加工內(nèi)側(cè)半徑150以上板厚的7倍以上200以上板厚的5倍以上關(guān)于波形鋼腹板的涂裝，原則上應(yīng)當(dāng)遵守公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ 041-2 000）和公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件（JT/T 694-2 007）有關(guān)規(guī)定。公路鋼橋采用的防銹處理方法如表8所示。即波形鋼板的防銹可按公路鋼橋的準(zhǔn)則處理，可選取下列標(biāo)準(zhǔn)的防銹方法。表8 公路鋼橋的防銹辦法防銹方法涂裝噴射電鍍耐候性鋼材一般涂裝重防腐涂裝防銹原理涂裝被膜將鋼材表面與環(huán)境隔開涂裝被膜將鋼材表面與環(huán)境隔開形成富鋅防銹用鋁、鋅層防銹用鋅層防銹用穩(wěn)定的銹蝕層防銹防銹材料處理方法用涂料作表面涂刷用涂料作表面涂刷噴涂鋁或

37、鋅壓溶融鋅的電鍍處理槽中浸泡在煉鋼時調(diào)整材料構(gòu)造方面的限制無特別限制無特別限制無特別限制受電鍍槽尺寸限制必要時與結(jié)構(gòu)要求相結(jié)合考慮施工表面處理施工內(nèi)容表面除銹涂裝作業(yè)防護，支架噴砂處理涂裝作業(yè)防護，支架噴砂處理噴射作業(yè)酸洗電鍍作業(yè)維持管理更新涂裝更新涂裝鋁、鋅層檢測鋁、鋅層檢測穩(wěn)定銹層檢測顏色外觀可自由選擇顏色可自由選擇顏色色澤一定色澤一定色澤一定3.2 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的施工波形鋼腹板PC箱梁橋視橋型不同可采用類似PC橋的各種施工方法施工，如支架現(xiàn)澆施工、移動模架逐孔現(xiàn)澆、預(yù)制安裝、懸臂澆注、懸拼安裝、頂推施工等。唯應(yīng)注意三個問題：波形鋼腹板安裝與連接；體外索施工；波形鋼腹板可在安裝

38、中作臨時承重結(jié)構(gòu)。對跨度較大的波形鋼腹板PC箱梁橋或橋下立支架有困難的場所，通常采用懸臂施工法施工。懸臂施工法有關(guān)說明如下：圖12波形鋼腹板PC箱梁施工掛籃（1）按PC變截面連續(xù)梁（剛構(gòu)橋）施工經(jīng)驗，采用懸臂法施工的常規(guī)跨度為80250m，PC箱梁橋懸臂施工法最大跨度達(dá)270 m（中國廣東虎門橋），而波形鋼腹板PC箱梁橋懸臂施工最大跨度為150.2 m（日本朝比奈川橋）。（2）懸臂施工法可分為節(jié)段懸臂澆注與預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝兩種，一般多用節(jié)段懸臂澆筑法。（3）懸臂澆注施工要點1）波形鋼腹板PC箱梁橋的懸臂澆注施工類同PC箱梁橋懸臂澆注施工，同樣應(yīng)滿足公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ 041-2 00

39、0）要求。2）波形鋼腹板PC箱梁橋節(jié)段懸臂澆注施工步驟為：前移掛籃安裝底板鋼筋安裝、焊接波形鋼腹板澆注底板混凝土安裝頂板鋼筋澆注頂板混凝土養(yǎng)生預(yù)應(yīng)力張拉前移掛籃，進行下一循環(huán)。若利用波形鋼腹板作掛籃承重結(jié)構(gòu)，則節(jié)段施工步驟可略作調(diào)整，流水作業(yè)面可在三個相鄰節(jié)段展開，如下圖13：圖 13懸臂施工法- Rap.con/RW工法3）波形鋼腹板箱梁橋懸臂澆注用掛籃類同PC箱梁橋，一般多用菱形掛籃，但預(yù)留了波形鋼腹板的吊裝設(shè)備與空間（如圖12）。借波形鋼腹板上翼緣板與下緣混凝土突緣之助，波形鋼腹板亦可作為節(jié)段懸澆的工作平車承重結(jié)構(gòu)（如圖13）。4）懸臂澆注用掛籃一般由承重系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、行車系統(tǒng)、平臺系

40、統(tǒng)、波形鋼腹板安裝系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和調(diào)節(jié)裝置等組成，其設(shè)計要求類同PC箱梁橋的節(jié)段懸澆掛籃，唯應(yīng)注意波形鋼腹板吊裝定位系統(tǒng)的設(shè)計、鋼-混凝土連接處混凝土施工以及混凝土橫隔施工等不同之處。4.鄄城黃河橋主橋設(shè)計及其技術(shù)經(jīng)濟效益圖14 波形鋼腹板大樣本設(shè)計為上、下行分離式橋梁，單幅上部箱梁為單箱單室斷面，箱梁頂寬為13.5 m，箱梁底寬6.5 m，翼緣懸臂長3.0 m，懸臂端部板厚0.20 m，懸臂根部厚0.50 m。墩頂根部梁高為7.0 m，為跨徑的L/17.14；跨中梁高為3.0 m，為L/40。為改善1/4跨徑處的應(yīng)力狀態(tài)，梁高按1.6次拋物線變化。箱梁頂板厚0.25 m；底板厚度0.250.

41、80 m，按二次拋物線變化。波形鋼腹板采用抗拉強度310 MPa、抗剪強度180 MPa的Q345qd鋼材，箱梁采用直腹板，墩上塊采用砼腹板、距墩上塊5 m范圍內(nèi)波形鋼腹板內(nèi)設(shè)有混凝土里襯，為鋼砼組合腹板，其它部位為波形鋼腹板，波形鋼腹板波長1.6 m ,波高220 mm , 水平面板寬43 cm，水平折疊角度為30.7°，內(nèi)徑為120 cm，鋼板厚度814 mm，其形狀如圖14?？v向預(yù)應(yīng)力筋分兩種：體內(nèi)束和體外束。預(yù)應(yīng)力鋼束均用270級F15.24鋼絞線，體內(nèi)束設(shè)置類同于一般預(yù)應(yīng)力砼箱形連續(xù)梁，按懸臂澆注分節(jié)段設(shè)置。考慮到波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼箱形連續(xù)梁的特點，為合理布束和加快施工進度

42、，懸臂節(jié)段按約160噸重劃分，以此為標(biāo)準(zhǔn)120米標(biāo)準(zhǔn)跨除墩頂0號節(jié)段外另對稱分為11個節(jié)段懸澆。頂板布置32束體內(nèi)鋼束，每束19根鋼絞線、中跨底板體內(nèi)鋼束布置12束，每束15根鋼絞線、邊跨底板體內(nèi)鋼束布置6束，每束采用12根鋼絞線。中跨布置6束體外鋼束，每束采用19根鋼絞線，沿墩頂中心線對稱張拉、邊跨布置4束體外鋼束，每束采用19根鋼絞線。體外束用于承受活載，于成橋后穿索張拉。橫向預(yù)應(yīng)力采用BM15-3（H）束，扁錨體系，間距1.0米。鄄城橋初步設(shè)計主橋為70 m10×120 m70 m， 施工圖設(shè)計更改為70 m+11×120 m70 m,即主橋增加了1孔120m跨，初步

43、設(shè)計為預(yù)應(yīng)力砼箱形連續(xù)梁，施工圖設(shè)計改為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁。更改后不僅上部結(jié)構(gòu)材料數(shù)量發(fā)生很大變化，且因上部構(gòu)造重量減輕帶來基礎(chǔ)、墩臺工程數(shù)量的減少。表9列出了施工圖設(shè)計與初步設(shè)計主橋工程數(shù)量的對比。為便于方案對比表中施工圖數(shù)量按70 m10×120 m70 m跨作了統(tǒng)計調(diào)整。表9 鄄城黃河橋方案材料對比表部位主要材料單位施工圖設(shè)計初步設(shè)計節(jié)省值節(jié)省比例123455-64/5上部C50砼m329 94538 1208 1750.757波形鋼板t1 7570-1 757-體內(nèi)束鋼絞線t1 3982 2318330.627體外束鋼絞線t3400-340-F32 mm精軋螺紋鋼筋t0

44、2212210波紋管m123 568188 18464 6160.657錨具孔49 37277 64428 2720.636HRB335鋼筋t4 3426 4762 1340.670R235鋼筋t01921920下部C30砼m319 66319 9763130.984C25砼m343 01248 5725 5600.886HRB335鋼筋t2 8573 5837260.797R235鋼筋t1136034900.187因本橋的初步設(shè)計偏于保守，故對比效益偏大。據(jù)實際施工估算，鄄城黃河橋主橋因采用波形鋼腹板PC橋這一技術(shù)，導(dǎo)致建設(shè)節(jié)省約2000萬元。下表10為日本本谷橋的相應(yīng)對比。表10 日本本谷

45、橋砼腹板與波形鋼腹板方案材料數(shù)量對比項目類別單位混凝土腹板波形鋼板增減數(shù)量摘要混凝土m32 148.41 680.7-467.7sck=40MPa模板m26 841.35 558.0-1 283.3鋼筋t285.943257.016-28.927SD345預(yù)應(yīng)力鋼筋體內(nèi)索kg-47 905+47 905主鋼絲SWPR7BL 12S12.7體內(nèi)索kg59 046-59 046主鋼絲SWPR7AL 12S12.4粗鋼筋F32DWkg36 510-36 510主鋼絲F32SBPR 930/1 180 DW體外索kg-14 727+14 727主鋼絲SWPR7BL 19S15.2橋面板橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋kg-16 870+16 870橫