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波形鋼腹板組合箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
摘 要 鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁在日本和歐美得到了廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)在于它充分利用了混凝土和鋼的材料特點(diǎn)。本文通過分析波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的構(gòu)造特征和力學(xué)特性，闡述了這種新型組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并介紹了國外的橋梁實(shí)例。
關(guān)鍵詞 波形鋼腹板 預(yù)應(yīng)力混凝土 組合結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
１ 引言
隨著體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟和新型建筑材料的發(fā)展，許多國家的工程師都在對(duì)大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進(jìn)行研究。在上世紀(jì)八十年代，法國首先設(shè)計(jì)并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結(jié)構(gòu)橋梁－Ｃｏｇｎａｃ橋，其后又相繼建造了Ｍａｕｐｒｅ高架橋、Ａｓｔｅｒｉｘ橋和Ｄｏｌｅ等數(shù)座波形鋼腹板的組合結(jié)構(gòu)橋梁，該形式箱梁的典型結(jié)構(gòu)如圖１所示。自上世紀(jì)九十年代起，日本也對(duì)該類形式的橋梁進(jìn)行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎(chǔ)上，先后修建了新開橋、本谷橋、松木七號(hào)橋等一系列橋梁，其中有連續(xù)梁橋，也有連續(xù)剛構(gòu)橋，拓寬了其使用范圍，發(fā)展了設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。
波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強(qiáng)度，用它作為混凝土箱梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學(xué)性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎(chǔ)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)所承受的上部恒載，還省去了施工時(shí)在腹板中布置鋼筋、設(shè)置模板等繁雜的工作。此外，波形鋼板縱向伸縮自由的特點(diǎn)使得其幾乎不抵抗軸向力，能更有效地對(duì)混凝土橋面板施加預(yù)應(yīng)力，提高了預(yù)應(yīng)力效率。這種組合結(jié)構(gòu)能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經(jīng)濟(jì)性能方面都具有很大的吸引力。
２ 設(shè)計(jì)方法
當(dāng)橋梁上部采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設(shè)計(jì)需要針對(duì)施工和使用階段的不同要求。施工階段的計(jì)算要結(jié)合具體的施工形式，比如，連續(xù)梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或其它的方法，主要的計(jì)算荷載有自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等。箱梁內(nèi)通常同時(shí)設(shè)置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力，由混凝土頂板和底板內(nèi)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力抵抗施工荷載和恒載，箱內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力用來抵抗活載。這樣考慮的原因之一，是為了滿足更換體外預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)結(jié)構(gòu)的受力要求。
２．１ 縱向抗彎計(jì)算
波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形很大，表現(xiàn)出來的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀有關(guān)，可由下式計(jì)算
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式中，Ｅｘ為等效軸向彈性模量；Ｅ為鋼材的彈性模量；ｔ為鋼板厚度；α為波紋的形狀系數(shù)。根據(jù)此式，日本新開橋Ｅｘ＝Ｅ／６１７。已進(jìn)行的模型實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)波形鋼腹板在受彎時(shí)縱向正應(yīng)力、正應(yīng)變很小，可以忽略，即在進(jìn)行截面抗彎設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認(rèn)為混凝土頂板和底板內(nèi)的縱向正應(yīng)變符合線性分布規(guī)律，仍然按照平截面假定計(jì)算應(yīng)力、布置預(yù)應(yīng)力鋼束。
２．２ 抗扭計(jì)算
箱梁在偏心荷載作用下，截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉(zhuǎn)的影響并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，由于腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多，這對(duì)截面扭轉(zhuǎn)變形的影響顯著增大，會(huì)在混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力。到目前為止，關(guān)于波形鋼腹板箱梁扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算還沒有明確的結(jié)論。通過對(duì)建成的該類橋梁的技術(shù)總結(jié)和研究，日本工程師上平等人提出了一種計(jì)算其抗扭剛度的方法(２) 式中，Ｊｔ為抗扭剛度；Ａｍ為箱梁的橫截面面積；ｂ１為箱體的寬度；ｈ１為波形鋼腹板的高度；ｎｓ為鋼材和混凝土剪切模量的比值；ｔ為構(gòu)件的厚度；α為修正系數(shù)(３)實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，鑒于截面扭轉(zhuǎn)剛度和橫隔板布置有密切關(guān)系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當(dāng)增加橫隔板數(shù)量并調(diào)整間距可以有效的保證箱梁抗扭剛度。
２．３ 波形鋼腹板的應(yīng)力計(jì)算
波形鋼腹板主要承受剪應(yīng)力。在設(shè)計(jì)中可以偏保守地假定結(jié)構(gòu)所有的剪應(yīng)力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對(duì)剪應(yīng)力的抵抗作用，從而計(jì)算出波形鋼腹板所需的最小厚度。
波形鋼腹板不僅承受上述剪應(yīng)力，同時(shí)也承受橫向彎曲所引起的彎曲應(yīng)力，因此必須對(duì)波形鋼腹板的合成應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，公式為(４) 式中，σｂ為拉應(yīng)力；σａ為抗拉強(qiáng)度；τｂ為剪應(yīng)力；τａ抗剪強(qiáng)度；γ為安全系數(shù)，建議取值為１．２。
２．４ 波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性計(jì)算
波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式(如圖２所示)。
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波形鋼腹板的某一個(gè)波段部分出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。局部屈曲強(qiáng)度的計(jì)算可按下式
(５)
式中，τｃｒ?熏Ｌ為局部屈曲強(qiáng)度；Ｅ為鋼材的彈性模量；ν為鋼材的泊松比；ｂ為腹板的高度；ａ為波 段長(zhǎng)；Ｋ為屈曲系數(shù)，有
(６)
�。ǎ玻┱w屈曲模式
波形鋼腹板整體出現(xiàn)屈曲破壞的現(xiàn)象。整體屈曲強(qiáng)度的計(jì)算可按照下式
(７)
式中，τｃｒ?熏Ｇ為整體屈曲強(qiáng)度；β為波形鋼腹板兩端的固定度系數(shù)；Ｅ為鋼材的彈性模量；Ｉｙ為ｙ軸的慣性矩；Ｉｘ為ｘ軸的慣性矩，ｔ為鋼板的厚度；ｂ為腹板的高度。
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波形鋼腹板同時(shí)出現(xiàn)局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的現(xiàn)象，是處于局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。合成屈曲強(qiáng)度由下式計(jì)算
(８)式中，τｃｒ?yàn)楹铣汕鷱?qiáng)度；τｃｒ?熏Ｌ為局部屈曲強(qiáng)度；τｃｒ?熏Ｇ為整體屈曲強(qiáng)度。
２．５ 波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接
模型實(shí)驗(yàn)表明，在加載后期，除了底板橫向開裂外，波形鋼腹板與底板交界處沿縱向開裂，隨著裂縫的發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度迅速降低，最終導(dǎo)致破壞，破壞特征為腹板和底板的連接部碎裂（如圖３所示）。波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載力，是設(shè)計(jì)此類橋梁中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
對(duì)于連接部的設(shè)計(jì)，通常的做法是在波形鋼腹板的上下端焊接鋼制翼緣板，翼緣板上焊接剪力釘，使之與混凝土板結(jié)合在一起（圖４－ａ）。還可以采用在鋼腹板上鉆孔，穿過鋼筋，再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入混凝土板的做法（圖４－ｂ）。在此基礎(chǔ)上，還可衍生出其它的連接方法。
３ 工程實(shí)例
自１９９３年起，日本從法國引進(jìn)了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)，目前，日本大力鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員在主要高速公路中采用這種結(jié)構(gòu)形式。
正在建設(shè)中的中野高架橋是日本關(guān)西地區(qū)阪神高速公路段的一部分，為采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的四跨連續(xù)梁橋。全橋的立面布置見圖５。主梁為單箱單室的變高度箱梁，同時(shí)設(shè)置了體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力體系。支點(diǎn)梁高４．０～４．６ｍ，跨中梁高２．０～２．２ｍ，梁高按照二次拋物線變化。波形鋼腹板采用抗拉強(qiáng)度４９０ＭＰａ、抗剪強(qiáng)度２０５ＭＰａ的耐腐蝕鋼板，波長(zhǎng)１．２ｍ，波高２００ｍｍ，鋼板厚度９～１９ｍｍ。為了提高主梁的橫向抗變形能力，除在支點(diǎn)和體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向處設(shè)置橫隔板，還在縱向的不同位置加設(shè)了橫隔板。主梁截面和波形鋼腹板的一般構(gòu)造見圖６。
該橋的上部結(jié)構(gòu)采用懸臂澆筑法施工，墩頂?shù)模疤?hào)節(jié)段長(zhǎng)１２ｍ，在墩架上現(xiàn)澆。其余節(jié)段分別長(zhǎng)３．６ｍ和４．８ｍ，均在掛籃上懸臂澆筑混凝土及拼裝鋼腹板。
４ 結(jié)語
鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)和建造在國內(nèi)起步比較晚，尤其是本文介紹的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋在國內(nèi)尚無實(shí)橋。與此同時(shí)，法國、德國，尤其是日本相繼建設(shè)了數(shù)座此種類型的橋梁，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)日益成熟。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，特別適合于中、大跨徑的連續(xù)梁橋。隨著國內(nèi)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的研究分析工作的開展，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?qū)?huì)在我國的橋梁建設(shè)中得到應(yīng)用。
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作者：不詳
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