高 磊 王日升 王文正 趙 欣 張艷秋 李 飛

(北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第三工程處，北京 100176)

0 引言

世界上第一座波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁——Cognac高架橋在1986年問世后，接連建成Maupre橋、Asterix橋和Dole橋三座同類橋[1]，這種新型結(jié)構(gòu)用波紋鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，因避免了混凝土腹板箱梁橋自重大、工期長(zhǎng)、易開裂的問題而被廣泛關(guān)注。日本繼法國(guó)后對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁組合橋進(jìn)行了詳細(xì)研究，進(jìn)展顯著，出現(xiàn)了多種截面形式和結(jié)構(gòu)體系，目前在建、已建橋梁超過200座[2]，是日本高速公路推薦橋型[3]。而我國(guó)對(duì)此類橋梁的研究起步較落后，1998年開始對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究，2005年1月在江蘇淮安建成我國(guó)首座波紋鋼腹板PC組合箱梁人行橋(見圖1)，同年7月建成光山潑河橋(見圖2)，是我國(guó)第一座裝配式波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁公路橋[4]，隨后引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛研究和探討。

近年來，為滿足工程需要，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的研究也日益深入，2010年—2016年期間文獻(xiàn)數(shù)量以每年百余篇的數(shù)量增長(zhǎng)，2017年和2018年突破至300余篇，截止2017年橋梁建設(shè)110多座，里程數(shù)超過40 km，我國(guó)該類橋梁的建設(shè)已形成自具特色的發(fā)展路線，且總體技術(shù)水平已進(jìn)入創(chuàng)新和超越時(shí)代。本文對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的研究現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)、主要施工方法與工程應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，為今后波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的發(fā)展提供一定借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

波紋鋼腹板PC箱梁用波紋鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，主要由混凝土頂板、混凝土底板、波紋鋼腹板、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索、體外預(yù)應(yīng)力索以及橫隔板構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。因無法在波紋鋼腹板中布置預(yù)應(yīng)力筋，常在混凝土頂板和底板中布置預(yù)應(yīng)力筋抵抗施工時(shí)的荷載及自重，在箱內(nèi)布置外部預(yù)應(yīng)力筋抵抗活荷載[5]。

波紋鋼腹板構(gòu)造如圖4所示，幾何參數(shù)包括板厚t，斜板段a，平直段b，內(nèi)側(cè)彎曲半徑r以及波高h(yuǎn)。波紋鋼腹板幾何參數(shù)的選擇，要滿足美觀、造價(jià)、環(huán)保等經(jīng)濟(jì)因素，同時(shí)應(yīng)達(dá)到各個(gè)力學(xué)要求，保證正常使用。王軍[6]通過大量統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外波紋鋼腹板PC箱梁橋梁的鋼腹板厚度、梁高及跨徑等參數(shù)的數(shù)值，較為準(zhǔn)確的找到了鋼腹板參數(shù)的取值范圍。

1.2 力學(xué)性能研究

20世紀(jì)90年代，在幾座波紋鋼腹板PC箱梁橋相繼建成后，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開了針對(duì)這種新穎結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究，利用橋梁模型試驗(yàn)、有限元分析、對(duì)比分析等方法從抗剪性能、抗彎性能、扭曲畸變效應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)特性等方面進(jìn)行了探討。

對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁橋抗剪性能的研究相對(duì)比較多，國(guó)內(nèi)學(xué)者從分配系數(shù)、剪力滯后效應(yīng)等多個(gè)方面進(jìn)行了分析。周緒紅等[7]采用有限元法研究了波紋腹板參數(shù)對(duì)構(gòu)件非線性剪切屈曲強(qiáng)度的影響，得出了波紋鋼腹板PC箱梁剪力主要由鋼腹板承擔(dān)的結(jié)論。劉超、鄧文琴等[8，9]在平截面假定等條件下，針對(duì)變截面波紋鋼腹板提出了一種剪應(yīng)力計(jì)算理論，并給出了腹板和混凝土頂板、底板的剪應(yīng)力分配系數(shù)。吳文清等[10]同樣采用空間有限元法，分析了翼板剪力滯后效應(yīng)的分布規(guī)律以及影響因素，并得出了剪力滯后效應(yīng)系數(shù)。

由于存在手風(fēng)琴效應(yīng)，鋼腹板軸向和彎曲剛度遠(yuǎn)小于混凝土頂板、底板，在日本規(guī)范《波折腹板箱梁橋規(guī)劃手冊(cè)(試行)》中，在計(jì)算波紋鋼腹板PC箱梁的軸向和彎曲剛度時(shí)，也并不包括鋼腹板[11]。陳建兵等[12]通過對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁建立模型，分析了此類橋梁的彎曲應(yīng)力計(jì)算模式，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)翼緣板的屈服應(yīng)力確定極限抗彎承載力。目前針對(duì)抗彎性能的研究相對(duì)于抗剪性能較少，是國(guó)內(nèi)學(xué)者仍需完善的一方面。

作為重點(diǎn)問題之一，對(duì)于波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應(yīng)影響的研究開展稍晚，大多是以傳統(tǒng)混凝土箱梁理論為基礎(chǔ)對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應(yīng)進(jìn)行推導(dǎo)。國(guó)內(nèi)最早可追朔到2003年李宏江等[13]的研究，分析了偏心荷載對(duì)波形鋼腹板箱梁的畸變效應(yīng)影響，提出了畸變計(jì)算模式，并用兩根箱梁模型進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證了該理論的計(jì)算精度。

作為地震多發(fā)國(guó)，對(duì)波紋鋼腹板PC箱梁的動(dòng)力學(xué)特性的研究也顯得尤為重要。冀偉等[14]將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，提出了一種建模方法。還發(fā)現(xiàn)中橫隔對(duì)波紋鋼腹板箱梁動(dòng)力特性的影響小于支座橫隔板，通過合理減少中橫隔板達(dá)到經(jīng)濟(jì)更優(yōu)。鄭尚敏、李杰等[15，16]研究了體外預(yù)應(yīng)力對(duì)波形鋼腹板簡(jiǎn)支箱梁自振頻率的影響，得出了體外預(yù)應(yīng)力會(huì)增大自振頻率的結(jié)論。

2 波紋鋼腹板PC箱梁優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土箱梁橋，波紋鋼腹板PC箱梁存在以下優(yōu)勢(shì)：

1)自重降低，經(jīng)濟(jì)成本降低。混凝土腹板占了主梁自重的30%～40%[17]，改用波形鋼腹板后箱梁自重降低25%～30%[18]，下部結(jié)構(gòu)工程量得到降低，基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)降低使地震的激勵(lì)作用變小。

2)工期短。整體自重減輕后，當(dāng)采用節(jié)段懸臂澆筑施工方法時(shí)，可以增加每節(jié)段的施工長(zhǎng)度；另外，現(xiàn)澆施工時(shí)鋼腹板省去了支模養(yǎng)護(hù)過程，在工廠預(yù)制后現(xiàn)場(chǎng)吊裝即可，從而有效縮短施工周期[19]，進(jìn)一步降低了造價(jià)。

3)有效避免腹板開裂問題，耐久性好。傳統(tǒng)箱梁在荷載作用下因收縮、徐變等因素，會(huì)導(dǎo)致混凝土腹板產(chǎn)生斜裂縫，改用波紋鋼腹板后，避免了此類問題，耐久性高。

4)受力合理，提高預(yù)應(yīng)力施加效率。由于手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)，波紋鋼腹板PC組合箱梁的腹板基本不承擔(dān)軸向力，大多由混凝土頂板與底板承擔(dān)。這樣可以提高混凝土頂板和底板的預(yù)應(yīng)力施加效率。另外，鋼腹板對(duì)混凝土頂板和底板的變形沒有限制，不會(huì)發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

5)體外預(yù)應(yīng)力束維修便利。體外預(yù)應(yīng)力束在長(zhǎng)時(shí)間工作后，可在橋臺(tái)后面的張拉室對(duì)體外預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行檢查。當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力損壞甚至斷裂時(shí)，可在夜間進(jìn)行更換，方便快捷。

6)裝飾方便。相比于傳統(tǒng)腹板，波紋鋼腹板裝飾更方便，可以與周圍環(huán)境融為一體，且外邊面呈現(xiàn)出波浪形，更具欣賞性。

3 施工方法與工程應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法主要包括滿堂支架法、懸臂法、頂推法三種。我國(guó)部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 我國(guó)部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法

1)滿堂支架法：滿堂支架法一般用于跨徑小于80 m的橋梁波紋鋼腹板PC箱梁組合橋[21]，Cognac高架橋便采用滿堂支架施工方法。由于施工方法簡(jiǎn)單，并且無需大型吊裝設(shè)備、廣泛實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)早期的波紋鋼腹板PC箱梁組合橋均采用此類方法。但施工工期相對(duì)較長(zhǎng)，且對(duì)地基要求較高。

2)懸臂法：當(dāng)橋梁跨徑為80 m～250 m時(shí)，常使用懸臂法，包括節(jié)段懸臂澆筑以及預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝兩種。由于用鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，自重降低，節(jié)段長(zhǎng)度可適當(dāng)增加。隨著施工技術(shù)水平的提高，從表1可以看出，懸臂法成為近年來波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的主流施工方法。具有不影響交通，節(jié)省施工用材等優(yōu)點(diǎn)。

3)頂推法：頂推法是2015年在我國(guó)首次采用的一種波紋鋼腹板PC箱梁組合橋施工方法，應(yīng)用于鄭州常莊干渠高架橋的施工當(dāng)中。此類方法施工效率較高，工期較短，并且在施工過程中可不斷調(diào)整位置，縮小誤差。目前僅被應(yīng)用于小跨度波紋鋼腹板PC箱梁組合橋。

4 結(jié)語

波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在我國(guó)只有短短十幾年歷史，但相比于傳統(tǒng)混凝土箱梁橋其優(yōu)點(diǎn)突出，越來越受到國(guó)內(nèi)學(xué)者和建筑行業(yè)的關(guān)注，工程實(shí)例增長(zhǎng)也越來越快。希望本文能夠?qū)Σy鋼腹板PC組合箱梁橋在我國(guó)的發(fā)展提供幫助。相信隨著不斷深入的研究和技術(shù)水平的提高，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋會(huì)在我國(guó)的橋梁建設(shè)中留下濃墨重彩的一筆。