波形鋼腹板PC組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點_李宏江

1、Vol.19No.3公路交通科技2002年6月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT文章編號:1002-0268(200203-0053-05收稿日期:2001-06-18 波形鋼腹板PC組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點李宏江,萬水,葉見曙(東南大學(xué),江蘇南京210096摘要:隨著橋梁跨度的增加,減輕上部結(jié)構(gòu)自重便成為首要問題。波形鋼腹板PC組合箱梁是一種新型的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)主梁的輕型化,進而減輕下部結(jié)構(gòu)的工程量。通過對這種結(jié)構(gòu)在國外的工程研究,本文介紹了這種箱梁的波形鋼腹板和預(yù)應(yīng)力體系的構(gòu)造特征

2、,并著重分析了箱梁的軸向變形、彎曲應(yīng)力、鋼腹板的局部屈曲、整體屈曲、合成屈曲穩(wěn)定性以及扭轉(zhuǎn)等力學(xué)特性,并以日本的松木七號橋和其他實橋為例,進一步介紹這種箱梁的結(jié)構(gòu)特點及施工方法。關(guān)鍵詞:PC組合箱梁;鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu);波形鋼腹板;屈曲穩(wěn)定性中圖分類號:U448.213文獻標識碼:AStru ctural Features of Prestressed Con crete Box-girder with Corrugated Steel WebsLI H ong-jiang,W AN Shui,YE Jian-shu(Southeast University,JiangsuNanjing210

3、096,ChinaAbstract:With the increase of bridge span,decreasing its self-weight is crucial and important.The prestressed concrete composite box -girder with corrugated webs is a new type of steel-concrete structure.The type of structure can achieve light-duty of girders,thus re-duces the engineering w

4、ork of its s ubstructure.The paper expatiates its engineering research and con figuration characteristics of its corru-gated steel webs and prestressed stress system,and places the importance on analyzing its mechanics properties,such as its axial defor-mation,flexural stress,local,global and intera

5、ctive buckling stability of corrugated steel webs,and torsion.With Ginzan-Miyuki Bridge built in Japan and other cases overseas as exampes,the paper further introduces its structural features and construction procedures.Key words:Prestressed concrete composite box-girder;Steel-concrete composite str

6、ucture;Corrugated steel webs;Bucklin g stability預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁需要在腹板內(nèi)布筋和使縱向預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向,故必須增加腹板的厚度,從而腹板面積高達其總截面面積的25%30%。因此,采取新型結(jié)構(gòu)或其他辦法來減少腹板厚度,對于減輕箱梁自重,降低箱梁縱向預(yù)應(yīng)力值及減少預(yù)應(yīng)力筋用量是十分有效的。隨著外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)的日趨成熟,以及新型建筑材料的發(fā)展,法國的有關(guān)部門對長大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進行了研究。首先提出了用平面鋼板代替箱形截面混凝土腹板(圖1,并通過箱形截面內(nèi)的體外力筋施加預(yù)應(yīng)力的辦法。法國的Ferte-Saint-Aubin橋是這種結(jié)構(gòu)形式的典型代表

7、。該橋為跨徑38m圖1用平面鋼板作腹板的典型截面的簡支結(jié)合梁橋,單室箱梁高1.625m,鋼腹板厚12mm,在鋼腹板高度的1/3及2/3處沿軸向設(shè)置有水平加勁板1。這種鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式雖然非常簡單,但由于上、下翼板混凝土的徐變、干燥收縮而產(chǎn)生的變形受到鋼腹板的約束,使得上下翼板里的有效預(yù)應(yīng)力顯著減小,而鋼腹板內(nèi)壓力增加,施加的預(yù)應(yīng)力向鋼板轉(zhuǎn)移的結(jié)果,要求鋼腹板上增設(shè)加勁板以防止腹板屈曲,從而使工程費用增加。為解決由于鋼腹板的約束作用造成截面預(yù)應(yīng)力損失,1975年法國CB 公司提出了用波形鋼板(沿橋軸方向呈波形,圖2所示代替平面鋼腹板的設(shè)想。這種波形鋼腹板因其在軸向為折迭狀板,當受到軸向預(yù)壓

8、力作用時能自由壓縮,因此由上、下混凝土翼板的徐變、干燥收縮產(chǎn)生的變形將不受約束,從而避免了由于鋼腹板的約束作用而造成箱梁截面預(yù)應(yīng)力的損失。經(jīng)FE M 數(shù)值分析后,法國CB 公司修建了模型試驗橋,即Cognac 橋,于1986年建成的Cognac 橋是最早的波形鋼腹板PC 組合箱梁橋。為確立該類橋的設(shè)計計算方法,法國CB 公司對該橋進行了定期觀測。后來,為進一步驗證波形鋼腹板的抗剪、抗扭及穩(wěn)定性方面的受力特性,法國又先后修建了Maupre 高架橋、Asterix 橋與Dole 橋等3座波形鋼腹板PC 組合箱梁橋。日本對該類橋進行研究并參考了法國同類橋的設(shè)計計算方法后,也先后修建了新開橋、本谷橋以

9、及松木七號橋等,進一步拓寬了該類橋的適用范圍,使波形鋼腹板PC 組合箱梁得到發(fā)展 。圖2波形鋼腹板PC 組合箱梁1設(shè)計要點1.1構(gòu)造特征(1波形鋼板的幾何參數(shù)及節(jié)段連接方式。上、下混凝土板在現(xiàn)場澆筑,而波形鋼腹板是在工廠壓制成型的構(gòu)件,其主要幾何參數(shù)為板厚t 、波高h 、波形鋼腹板的高度H 、折痕點之間的長度c 以及形狀系數(shù)(如圖3。其中板厚t 由鋼腹板的最大剪應(yīng)力控制,波紋的形狀(波高h 、腹板高H 由剪切屈曲應(yīng)力控制。形狀系數(shù)為波形鋼板的水平長度與實際長度的比值,即=L /l i。表1給出了國外4座橋的波形鋼腹板的參數(shù) 。圖3波形鋼板的幾何參數(shù)國外4座橋的波形鋼板的參數(shù)表1橋名板厚t (m

10、 m 折彎點之間的長度c (mm 折彎角度(度波高h (mm 形狀系數(shù)(mm 鋼腹板高43029.82200.93最小1081最大4011波形鋼腹板在縱向劃分的節(jié)段數(shù)取決于工廠的壓制成型設(shè)備的能力,在中等跨徑的該類橋中,節(jié)段長一般為712m 。如法國Maupre 高架橋的波形鋼腹板的縱向預(yù)制節(jié)段長為12m 1。而日本新開橋,縱向總長30m 的波形鋼板劃分為4段進行制作2。波形鋼板在工廠還要進行涂漆防護、預(yù)拼裝,然后運至現(xiàn)場,進行節(jié)段之間的連接。由于波形鋼腹板具有折迭效應(yīng),在連接部位基本沒有軸向力作用,可以采用單面摩擦連接。在日本,通常采用在連接部分焊接翼緣板,再用螺栓連接方法和把鋼板相互對接坡

11、口焊的方法。而在其他國家是將鋼板重迭,進行貼角焊的方法。(2體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力混合型配束方式。波形鋼腹板PC 組合箱梁由于使用波形鋼腹板,因而無須像通常的PC 箱梁那樣在腹板內(nèi)配置預(yù)應(yīng)力筋并在腹板內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。它通常采用體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力并用的方式,即在混凝土頂板、底板中配置縱向預(yù)應(yīng)力筋,用以抵抗施工時的荷載及自重。在箱內(nèi)配置外部預(yù)應(yīng)力束并通過梁端的橫墻和跨內(nèi)的橫隔板來轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)曲線或折線配筋,用來抵抗活載(圖4。通常在橋臺后設(shè)置有張拉室,且與箱梁貫通,便于體外預(yù)應(yīng)力束的日檢、維修及更換或添加3 。圖4體外預(yù)應(yīng)力束的布置(3波形鋼腹板與上、下混凝土板以抗剪連接件的方式結(jié)合。對于結(jié)合部的連接,通常的做

12、法是在波形鋼板的上下端部焊接鋼制翼緣板,翼緣板上焊接剪力釘(如柱型雙頭螺栓,使之與混凝土板結(jié)合在一起(圖5。而日本本谷橋采用在波紋鋼板上鉆孔,穿過鋼筋(貫通鋼筋,再在鋼板的上、下端部焊接縱向鋼筋(約束鋼筋并埋入混凝土的結(jié)合方法(圖公路交通科技2002年第3期5。這種結(jié)合方法利用被埋入混凝土內(nèi)的波形鋼板的斜向面板(作為抗剪結(jié)合件有效地發(fā)揮作用,以及雷昂哈特的混凝土抗剪銷來抵抗和傳遞剪力4 。圖5混凝土板與鋼板的連接1.2波形鋼腹板PC 組合箱梁的力學(xué)特性(1波形鋼腹板的軸向變形特性波形鋼板在縱向如風(fēng)琴一樣可以自由變形,在軸向力P 作用下,軸向變形很大,因而其表觀彈性模量很小。波形鋼板在縱向(x

13、軸方向的表觀彈性模量與波高h 、板厚t 以及波紋的形狀系數(shù)有關(guān),具體表述為下面的公式E x =E 0(t /h 2(1式中,E 0為鋼板的彈性模量。如日本新開橋4,E x=E 0/617。因此,設(shè)計上可以認為腹板不承擔軸向力,而軸向力僅由上、下混凝土板承擔(圖6 。圖6由彎曲和軸向力產(chǎn)生的應(yīng)力分布(2主梁的彎曲應(yīng)力計算由于波形鋼板具有三維柔性5,因而也不抵抗彎矩。當梁彎曲變形時,彎曲計算中所用到的各種斷面幾何特性可以不考慮腹板,即其置換斷面如圖6所示,僅由上、下混凝土板構(gòu)成,也就是說彎矩僅由上、下混凝土板構(gòu)成的斷面的抗彎剛度來抵抗。同時,該類橋主梁的彎曲特性可以用通常的梁理論中的平截面假定來描

14、述6。彎曲計算采用以上斷面常數(shù),并根據(jù)梁理論計算應(yīng)力,布置其體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力束,其中體外預(yù)應(yīng)力束作為建成后的連續(xù)束使用,其布置基本上可以抵抗活載。(3波形鋼腹板的剪切屈曲穩(wěn)定性主梁受彎的同時,還承受剪力。計算時剪力全部由波形鋼板承擔。其剪應(yīng)力和混凝土腹板中的情況不同,沿梁高基本呈等值分布。由于豎向壓應(yīng)力一般很小,鋼腹板中的應(yīng)力狀態(tài)一般視為純剪。因此除驗算鋼板剪應(yīng)力外,還要計算板的屈曲應(yīng)力。即考慮波形鋼腹板的屈曲穩(wěn)定性。波形鋼板的屈曲通常有3種模式。(a 局部屈曲模式。它僅為深折槽腹板的臨界狀態(tài),與兩個折槽間一段視為簡支的鋼板條的不穩(wěn)定性有關(guān)(圖7。剪切作用下局部屈曲應(yīng)力可按下述公式7計算cr

15、,l =E 0212(1-v 2(t /b 2·k (2式中,c r ,l 為剪切局部屈曲應(yīng)力;E 0為鋼腹板彈性模量;v 為鋼腹板泊桑比;a 為波形鋼腹板相鄰兩彎折邊間鋼板的長邊;b 為波形鋼腹板相鄰兩彎折邊間鋼板的短邊;t 為鋼板厚;k 是由板長寬比決定的系數(shù)7 。圖7波形鋼腹板的屈曲圖示(b 整體屈曲模式。其特征為常規(guī)的波長較長的變形在無局部屈曲的情況下逐漸發(fā)展,與在正交異性板中的情況相似。它是淺折槽腹板的臨界狀態(tài)(圖7?？捎蒍ohn T .Easley 公式8求得cr ,g =36(E 0I y 1/4·(EI x 3/4h 2t(3式中,cr ,g 為整體屈曲應(yīng)力

16、;E 0為鋼腹板的彈性模量;I x 為橋縱向每單位長的斷面慣性矩;I y 為豎向每單位長的斷面慣性矩;t 為板厚;1.01.9(簡支時=1.0,固定時=1.9。(c 合成屈曲模式。其特征為鋼板沿折疊線產(chǎn)生突發(fā)的、不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形,這是具有中等折槽深波形鋼腹板PC 組合箱梁的結(jié)構(gòu)特點李宏江等度腹板的臨界狀態(tài),是一種處于局部屈曲和整體屈曲的中間的模式,由下述公式確定91 cr,i =1c r,l=1cr,g(4式中,c r,i為局部屈曲應(yīng)力,cr,g為整體屈曲應(yīng)力,分別由公式(2和(3確定。(4主梁的扭轉(zhuǎn)特性在偏心荷載作用下,主梁截面將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。由于混凝土腹板的箱梁剛度較大,扭轉(zhuǎn)的影響很小,

17、扭轉(zhuǎn)變形能很快地被截面上橫向框架效應(yīng)和板的面內(nèi)撓曲剛度所吸收。在波形鋼腹板PC組合箱梁中,這一狀態(tài)也很相似,但由于波形鋼腹板的彎曲剛度與上、下混凝土板相比小很多,因此斷面的扭轉(zhuǎn)變形影響將會顯著增大,使混凝土板內(nèi)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)翹曲應(yīng)力,這是不可以忽略的。應(yīng)設(shè)置較多的橫向聯(lián)結(jié)鋼構(gòu)件或橫隔板來限制扭轉(zhuǎn),并使其與用來使預(yù)應(yīng)力束轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向塊合為一體。日本曾對橫隔板間距對扭轉(zhuǎn)變形的影響作過研究10,利用扭轉(zhuǎn)常數(shù)與橫隔板間距的相關(guān)曲線,就可以得到一定箱梁扭轉(zhuǎn)常數(shù)下的橫隔板間距的大體上的值,在不過多增加主梁自重的情況下,適當調(diào)整橫隔板間距對限制扭轉(zhuǎn)變形是有效的。2實例分析2.1日本松木七號橋(亦稱銀山御幸橋松

18、木七號橋修建于地形、氣候惡劣的山區(qū)。該橋上部結(jié)構(gòu)為5跨(27.4m+3×45.5m+44.9m單箱單室等截面連續(xù)梁(橋橫斷面如圖8,縱斷面如圖9,橋長L=210m,橋?qū)扺=8.5m,縱坡I=6%。主梁混凝土40MPa。波形鋼腹板在工廠預(yù)制、試拼裝、涂漆,其構(gòu)造如圖10所示。板厚t=8mm,波高h= 150mm,鋼板折彎點之間的長度b=300m m,波形鋼腹板高度H=2210mm。為了減小因角度過多變化而引起預(yù)應(yīng)力損失及施工的方便,該橋的外部預(yù)應(yīng)力束采用單跨束與兩跨連續(xù)束互相重疊搭接的配束方式 ,圖8松木七號橋主梁橫斷面圖(單位:mm 圖9松木七號橋主梁縱斷面圖(單位:mm 圖10松木

19、七號橋波形鋼腹板構(gòu)造(單位:mm 圖11松木七號橋預(yù)應(yīng)力布置(單位:mm如圖11所示。錨固處為兩端橫墻或跨內(nèi)橫隔板。預(yù)應(yīng)力束套管為高密度聚乙烯PE管,套管內(nèi)注入水泥漿,以防止預(yù)應(yīng)力束銹蝕,梁端錨固處設(shè)置混凝土封頂層。腹板與上、下混凝土板的連接通過焊接在波形鋼板上的鋼翼緣及其上的22雙頭螺栓結(jié)合在一起。翼緣板寬150mm,雙頭螺栓縱向間距125mm,橫向間距55mm。該橋由于采用輕型化的波形鋼腹板,使得主梁自重比混凝土腹板的PC箱梁可減輕25%,從而減小了下部結(jié)構(gòu)的負擔,下部結(jié)構(gòu)可以做得比較輕盈,這樣就減少了因下部結(jié)構(gòu)而造成的開挖方量,有利于環(huán)境保護和植被生長。由于主梁的輕量化,可以采用頂推施工

20、法。這種施工方法無須在梁下空間搭設(shè)臨時支架,這樣就使得施工時的作業(yè)面變小,對周邊環(huán)境的影響也大為減輕,且施工進度快,又不受冬季雪期的限制。該橋采用斜吊頂推的施工技術(shù)(圖12。主梁預(yù)制場設(shè)置在A2橋臺后,分為19個節(jié)段,標準節(jié)段長11.0m,前3個節(jié)段先不澆注頂板混凝土,而用自重較輕的薄鋼板代替,或用作頂推時的鼻梁(導(dǎo)梁,同時在第5節(jié)段上組拼塔柱,張拉錨固斜拉索(前方4根,后方4根,為避免塔柱正下方主梁斷面應(yīng)力公路交通科技2002年第3期 圖12斜吊頂推施工圖示(單位:mm過大,整個頂推施工進程中對斜拉索的張拉力共調(diào)整了4次。該橋施工期為2年半。由于該類橋目前尚無成熟的設(shè)計方法,且結(jié)構(gòu)較為新穎,

21、所以,在該橋施工期對主要控制斷面的應(yīng)力和撓度進行了觀測,待竣工后,又作了成橋后的荷載試驗,對設(shè)計方法的穩(wěn)妥性加以進一步驗證。該橋具有很強的美感。白色的混凝土與茶色的波形鋼腹板之間形成鮮明的對比度,產(chǎn)生優(yōu)美的立體感,與周圍的自然景觀和諧一致。2.2其他實例目前世界上已建成十余座波形鋼腹板PC組合箱梁橋。有簡支梁,有連續(xù)梁,截面形式多為箱形,也有三角形,跨度在3050m之間。例如,法國的Cognac 橋、Maupre橋、Asterix橋和Dole橋,日本的新開橋、本谷橋、松木七號橋,挪威的Tronko橋,委內(nèi)瑞拉的Cara-cas橋等?，F(xiàn)將其中的幾座橋的情況列于表2。國外5座波形鋼腹板PC組合箱梁

22、的設(shè)計參數(shù)表2橋名上部結(jié)構(gòu)形式建橋時間(年橋長(m橋?qū)?m跨徑施工方法法國Cognac橋波形鋼腹板單箱單室等截面連續(xù)梁法國Maupre高架橋波形鋼腹板三角形箱形等截面連續(xù)梁40.92m+44.10m+47.25m+50.40m+53.55m+47.25m+40.95m頂推日本本谷橋波形鋼腹板單箱單室變截面連續(xù)梁日本松木七號橋波形鋼腹板單箱單室等截面連續(xù)梁日本新開橋波形鋼腹板雙箱單室等截面單跨簡支梁3結(jié)束語波形鋼腹板PC組合箱梁可以減輕自重,提高預(yù)應(yīng)力的效率和減少預(yù)應(yīng)力鋼材用量,波形鋼腹板對上、下緣混凝土的徐變、干燥收縮變形不起約束作用,避免了預(yù)加力向鋼腹板的轉(zhuǎn)移,體外預(yù)應(yīng)力束可以替換,有利于橋梁的維修與補強,并且