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波形钢腹板梁桥的跨径突破

发布日期:2020-07-29

波形钢腹板梁桥的跨径突破


传统预应力混凝土箱梁的升级


传统预应力混凝土箱梁具有抗弯和抗扭刚度大,经济性、可施工性较好等特点,常作为大跨径梁桥的首选结构形式。但是大跨度预应力混凝土箱梁桥一般容易出现两种病害:一是梁根部(梁端)腹板开裂;二是随着跨度的增大,跨中挠度持续下降的问题日益显著。原因是混凝土箱梁自重产生的荷载效应比较大,同时腹板与顶底板连接成一个整体,顶底板的温差及腹板的干燥收缩、徐变等引起的应力集中问题比较突出,造成腹板开裂,严重影响结构的承载力和耐久性。另外,箱梁内预应力的失效以及日渐增大的交通量,加剧了病害程度。


为了解决上述问题,工程界针对传统混凝土箱梁桥进行了一系列改进。


1.预制混凝土腹板箱梁桥。以法国Vecchio桥为代表,其预制混凝土腹板互不相连,腹板与顶底板的连接是通过在腹板中设置预应力筋来实现。预制混凝土腹板可在工厂浇筑,质量容易保证,不仅能够保持腹板良好的抗剪性能、减轻结构自重,而且在施工时干燥收束变形基本上已稳定。但是,腹板与顶底板通过预应力钢束连接,施工比较困难。【波形钢】


2.平钢腹板组合箱梁桥。平钢腹板组合箱梁桥即用钢腹板代替混凝土腹板,采用了体外索施加纵向预应力。钢腹板抗剪性能好、重量轻,容易与顶底板连接。由于顶、底板混凝土的徐变收缩产生的变形受到钢腹板的约束,钢腹板与混凝土顶底板之间发生应力重分布,引起较大的纵向预应力损失。同时钢腹板受压,需在钢腹板上设置加劲肋或增大板厚以防失稳。


3.波形钢腹板组合梁桥。波形钢腹板组合梁桥是用波形钢板代替混凝土腹板,与混凝土顶底板形成组合梁体系的结构。这种构造减轻了结构自重,同时由于波形钢板的折皱效应,箱梁施加预应力效率得到提高,对顶、底板的徐变和收缩变形等约束作用较小。与平钢腹板梁桥相比,波形腹板具有更高的面外刚度及抗剪切屈曲强度。此外,波形钢腹板组合梁桥有较强景观美感。


国外波形钢腹板桥梁发展概况


1986年,法国建成世界第一座波形钢腹板组合桥——Cognac高架桥,随后先后建成3座同类桥梁——Maupre桥、Asterix桥、Dole桥。日本继法国之后于1993年修建了日本国内首座波形钢腹板桥,并对该类桥梁进行详细研究和大量工程建设。目前,日本在建、已建的该类型桥梁总数已达200余座。此外,在美国、英国、加拿大、韩国、德国等多个国家均有此类桥梁的应用。波形钢腹板组合梁因良好的经济性、抗震性、可施工性,逐渐在国际上得到了广泛应用。(表1)

波形钢腹板

国内波形钢腹板桥梁理论研究


上世纪90年代,我国开始对波形钢腹板组合箱梁进行理论研究和工程应用。严国敏在1992年发表的论文中提到过法国Maupre桥,是国内最早提到波形钢腹板箱梁桥。西南交大唐继舜等人在1998年最早对此桥型进行了空间有限元分析。我国在波形钢腹板桥梁方面的研究工作虽然起步较晚,但从2001年起,国家自然科学基金一直大力资助该类型桥梁的研究,包括“波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁力学特性研究”“预制阶段拼装波形钢腹板RPC箱梁抗弯性能研究”“波形钢腹板预应力组合箱梁的动力特性及动力反应研究”等科研课题,并取得了一定成果。目前,已在波形钢腹板弯曲性能、抗剪性能、扭转性能、屈曲性能、剪力滞效应、动力与抗震性能、疲劳性能、波形钢腹板连接件研究等方面,积累了一定的理论成果。经过二十多年的理论研究和工程实践,开展了大量的数值分析与试验研究,波形钢腹板组合箱梁桥的理论与设计方法逐渐成熟,并颁布了国家行业标准《波形钢腹板组合梁桥技术标准》和一些地方标准。(表2)

波形钢腹板

波形钢腹板桥梁施工方法


波形钢腹板箱梁桥常用的施工方法有满堂支架法、预制吊装法、少支架法、顶推法、悬臂法和异步悬臂浇筑法(RW工法)。


满堂支架法适用于桥下净空低、地基状况良好的中小跨径桥梁,其施工作业面开阔、平顺,主要适合在平原、市政桥梁建设过程中使用。该施工法的主要缺点为:支架工程量较大、混凝土浇筑程序烦琐、施工周期长等。


预制吊装法主要适用于城市高架或高速公路等情况。其技术特点为:主梁重量轻、装配式施工、施工速度快。【波形钢腹板】


少支架法适用于中小跨径、跨越道路的桥梁。其技术特点为:钢腹板先行架设、少支架、利用钢腹板承重施工混凝土顶底板。


顶推法一般用在等截面、中等跨径的多跨桥梁施工中。该方法采用波形钢腹板钢梁作为施工导梁,运用了波形钢腹板的特性及体外预应力钢束的灵活周转,充分发挥了材料各自的性能,节约了临时施工用材。


悬臂法适用于大跨度变截面梁桥,跨越河流、峡谷、桥下通航通车等不中断条件。波形钢腹板PC桥悬臂施工相比于传统预应力混凝土桥悬臂施工具备如下优点:节段重量减轻,节段长度达到4.8m,挂篮重量也相较传统挂篮更为轻便;腹板无须布置纵向曲线预应力和竖向预应力,管道布设更方便,减少预应力安装和张拉工艺;减少腹板模板、钢筋绑扎等安装工艺,节段施工周期缩短2-3天。


异步悬臂浇筑法是在悬臂法的基础上进行改进的施工方法。其具体做法是将波形钢腹板顶增设宽30cm左右的翼缘板(兼作连接板),使之具有较大的纵向抗弯和侧向抗弯能力,以及一定的抗扭能力。将作业区从第N段扩大到N-1、N、N+1三个节段,N+1节段波形板安装N节段底板施工及N-1节段顶板施工,三个作业面流水施工。异步悬臂浇筑法充分利用波形钢腹板作承重构件悬臂浇筑,简化挂篮构造,减轻挂篮重量,提高施工周转效率,缩短工期。


波形钢腹板组合箱梁是在混凝土腹板箱梁的基础上发展、改进的一种组合结构,传统混凝土梁桥的施工方法均适用于波形钢腹板组合箱梁桥。但是当前该桥型所采用的施工方法大多数与传统混凝土梁桥相同,没有在施工过程中充分发挥钢腹板承重优势。因此,因地制宜积极推广钢腹板先行架设、钢腹板导梁整体顶推、钢腹板承重异步浇筑等施工工法,将会大力促进该桥型的发展。


国内大跨度波形钢腹板桥梁


发展与创新


波形钢腹板组合桥梁在我国虽然应用得较晚,但是发展迅速,尤其到了2011年以后增长飞速。2006年以前只修建了数座该类型桥梁,具有代表性的有青海三道河桥(主跨50m单箱双室梁桥)、江苏淮安的长征桥(主跨30.5m的连续人行桥)、河南的泼河大桥(主跨30m连续梁桥)、重庆市永川的大堰河桥(25m简支梁桥)。山东鄄城黄河大桥(主桥70+11×120+70=1460m)的设计(2006年)和建成(2011年),标志着中国波形钢腹板PC桥进入大跨度桥梁的工程实用阶段。


波形钢腹板组合梁可用于各类桥型中,其结构形式有简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥、部分斜拉桥和斜拉桥等。当跨径在30-160m时,大都采用梁式桥;跨径超过160m时,常采用部分斜拉桥或斜拉桥。此外,波形钢腹板组合梁近年来也被运用到拱桥。我国继日本后,已成为世界上第二个广泛应用波形钢腹板组合桥的国家,并且多在150m-200m的大跨径范围应用波形钢腹板组合桥梁,用作这一跨径领域的主导桥型。表3列出了国内主要大跨度波形钢腹板组合桥梁。

波形钢腹板

由深圳市市政设计研究院有限公司设计的深圳东宝河新安大桥主跨156m,为世界首座波形钢腹板混合梁桥。中跨49.6m范围梁段采用钢底板结构代替混凝土底板,显著改善结构整体受力,提高了此类桥梁的跨越能力。由深圳市市政设计研究院有限公司设计的伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥,主跨153m。桥梁场地区域地震烈度为9度。该桥通过桥梁减隔震设计体系整体技术创新,采用抗震性较好的波形钢腹板PC箱梁桥结构体系,同时配置摩擦摆双曲面减隔震支座与液体粘滞阻尼器相结合的减隔震体系,形成了技术先进、经济可行的高抗震性能结构方案。该桥的建设成为国家“一带一路”战略实施中先进核心技术输出的典范工程。此外,深圳马峦山公园1号桥分左右两幅,左幅跨径为45m、右幅跨径布置为3×45m,单幅桥宽为20m,为结合组合折腹箱梁和组合桁架箱梁的优点所做的一种改良和创新桥梁结构形式。同组合折腹箱梁相比,由于采用钢管下弦杆代替混凝土底板,进一步减轻主梁自重,提高结构抗裂性和整体性。与组合桁架箱梁相比,避免了腹杆与底管相贯节点,解决了节点疲劳破坏问题,具有自重轻、抗震性能好、结构抗裂性、整体性能优的优点,具备很好的应用前景和研究、推广价值。


通过以上这些探索实践,足见该类桥梁的建设在我国已形成自具特色的发展路线,且总体技术水平已进入创新和超越时代。


波形钢腹板梁桥跨径突破与发展


波形钢腹板组合箱梁从根本上避免了传统预应力混凝土箱梁桥存在的两种常见病害问题,合理地将钢、混凝土两种材料结合,提高了结构的稳定性、强度、材料使用效率。理论上,波形钢腹板梁桥可以超过预应力混凝土梁桥达到更大的跨度。目前已完成设计的波形钢腹板梁桥跨度最大的为四川嘉陵江大桥(主跨190m),该跨度还远远没有达到已建的混凝土腹板梁桥的最大跨度(301m),更没有达到波形钢腹板组合箱梁桥的极限跨度。


箱梁结构自重是限制大跨径梁桥跨度增长的一个重要因素,特别是跨中箱梁重量。因此通过降低箱梁重量可实现跨度的突破。为了便于比较,假设箱梁截面宽度一致(梁宽19m)、箱梁高度一致(梁高4.5m),对混凝土箱梁、波形钢腹板箱梁、钢箱梁和钢底板-波形钢腹板箱梁的自重集度进行对比。通过计算,假定混凝土箱梁每延米的自重集度为P1,那么波形钢腹板箱梁自重集度约为0.82P1,钢箱梁自重集度约为0.30P1,钢底板-波形钢腹板箱梁自重集度约为0.65P1。可以看出,波形钢腹板箱梁比混凝土箱梁自重轻,降低自重约20%。同时,波形钢腹板箱梁又具有预应力效率高等优点。因此,波形钢腹板混凝土梁桥可以实现并超过目前已建的混凝土连续梁桥的跨度和规模。


表4列举了两个大跨度波形钢腹板箱梁桥设计方案,与现有的虎门大桥辅航道桥、重庆石板坡长江大桥复线桥进行比较,负弯矩大致相当,技术上完全具备可行性。

波形钢腹板

钢箱梁的自重集度在上述几种箱梁类型中是最小的,约为波形钢腹板箱梁自重集度的2/5,如果将桥梁跨中一段长度波形钢腹板箱梁改为钢箱梁,那么梁桥跨径将会突破330m。据此,我们试设计了主跨360m的波形钢腹板PC连续梁桥,计算得出最大负弯矩为6584P1。与虎门大桥辅航道桥墩顶弯矩6075P1相比,大致相当。即采取类似的材料配置等现有技术手段,是可以实现的。


试设计波形钢腹板PC连续梁桥上部结构采用三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥,跨径布置为:150+360+150m。主跨由120m变高度波形钢腹板箱梁+120m等截面钢箱梁+120m变高度波形钢腹板箱梁共三段组成,边跨主梁采用150m变高度波形钢腹板箱梁结构,主墩采用混凝土双薄壁矩形空心结构。

波形钢腹板

箱梁顶板宽16.4m,底板宽9.1m,墩顶梁高为18m(高跨比1/20),跨中钢箱梁段梁高为4.8m(高跨比1/75),其间梁高按1.6次抛物线过渡。波形钢腹板箱梁采用单箱单室变高度截面形式,钢箱梁采用单箱双室等高度截面形式。边跨设置3道混凝土横隔,中跨设置6道混凝土横隔(钢梁段除外),横隔板厚0.5m。波形钢腹板采用较常用的1600型,波高为220mm,板厚根据腹板承受剪力的大小及剪切屈曲强度进行确定。波形钢腹板与顶板连接采用开孔板连接件,与底板连接采用角钢连接件。【桥梁钢结构】


通过对主跨360m波形钢腹板梁桥试设计方案整体计算,并与某实桥主要材料对比(如表5所示),可以看出,试设计方案可行。其自重轻,预应力材料使用效率高,综合施工、养护等因素,具有经济优越性。

波形钢腹板

波形钢腹板作为仅承受剪力的钢构件,其承载能力极限状态验算,包含抗剪强度验算和剪切稳定性验算两部分。由试设计方案的计算结果来看,波形钢腹板的屈曲稳定性是制约波形钢腹板梁桥跨径增大的主要因素之一。而波形钢腹板整体屈曲稳定性是限制钢腹板高度增加的主要原因,进而影响桥梁跨度的增长。提高波形钢腹板整体屈曲临界应力的有效措施有:设置混凝土里衬、设置水平横隔板、开发大尺寸波形钢腹板(2400型、2800型)、波形钢腹板屈曲设计进入非弹性区等。


波形钢腹板PC箱梁在大跨度梁桥、高地震烈度区桥梁、软弱地基桥梁等方面具有广阔的应用前景。但目前还需要在以下几个方面开展深入研究:超大跨度波形钢腹板梁桥动力性能研究、超大跨度波形钢腹板梁桥腹板稳定性能研究、超大跨度波形钢腹板梁桥施工工法研究。


总体来看,波形钢腹板组合梁是在普通PC梁的基础上发展、改进的一种组合结构,从根本上避免了普通PC梁桥腹板开裂的病害问题,合理利用钢与混凝土两种材料,减轻结构自重并改善结构力学性能,具有良好的经济性、抗震性和可施工性等优点,成为现代PC梁桥的一个主要发展方向。


通过主跨360m波形钢腹板梁桥试设计,并与同等规模PC梁桥对比,波形钢腹板梁桥跨径可以超过300m,同时与其他桥型比较,具有良好的经济性和耐久性。


我国经过多年理论研究和工程实践,波形钢腹板组合梁得到迅速发展,规模及跨径均超越国外同类型桥梁,并在发展中进行了波形钢腹板混合梁、波形钢腹板-钢底板、波形钢腹板-钢桁架等结构形式创新。波形钢腹板组合桥梁作为一种极富创新空间的结构形式,将会得到更大发展。