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波形钢腹板梁桥跨径突破

发布日期:2020-10-13

波形钢腹板梁桥跨径突破


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。

波形钢腹板

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。

波形钢腹板

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。

波形钢腹板

波形钢腹板PC箱梁桥的优点


波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比混凝土钢板箱梁桥更好的力学性能和优点:

波形钢腹板

◇箱梁自重减轻10~30%,从而减少了恒载,降低了地震力,减小了恒载内力,上、下部工程造价均有降低;


◇ 波形钢腹板的折绉效应一是降低了腹板抗压刚度,从而提高了顶底板预应力效率,二是加大了腹板抗屈曲刚度,节省了钢村,提高了腹板搞剪能力;


◇ 充分发挥各种材料的性能:混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪,截面回转半径最大,结构受力更加合理;


◇部分体外索的应用,有利于结构整体承载力,调整提升与病害处理,从这个方面讲,可提高结构耐久性;


◇ 造型美观、施工方便,提高了建设速度等。

波形钢腹板

◇整体受力更接近于传统的预应力混凝土箱梁,更便于连续梁桥采用; 


◇腹板抗剪承载力加大:波形钢腹板的抗剪承载力大概是加劲的平钢板的2倍;


◇ 横向刚度加大:无须纵向、横向加劲肋,故腹板折算厚度较小;


◇ 顶、底板预应力效率更高:因波形钢腹板不承受预应力,故顶底板预应力效率高;


◇混凝土收缩、徐变效应降低:混凝土顶底板收缩徐变、温度效应对腹板影响很小;


◇ 腹板加工、安装更方便:腹板的三维韧性便利了施工,减少了几何缺陷的敏感性。


波形钢腹板力学特性


波形钢腹板PC箱梁较同等高速PC箱梁断面抗弯刚度降低10%左右,抗剪刚度降低50%左右,抗扭刚度降低90%左右。

波形钢腹板

波形钢腹板

由分析、试验、实桥检测知,波形钢腹板PC桥的振动特性介于PC桥与钢桥之间;一般PC桥体外束自振频率为12Hz-18Hz,阻尼系数为0.0002,一般不会发生体外束引发整桥共振问题。


波形钢腹板在纵向由于折皱效应,其纵向抗拉压刚度小,故设计时可以认为波形钢腹板不承受轴向力:即近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板,而剪力则完全由钢腹板承担,且剪应力在腹板上作均匀分布。波形钢腹板主要作用在于抗剪,故波形钢腹板的厚度与形状取决于抗剪强度与剪切屈曲稳定性的需要。

波形钢腹板

波形钢腹板预应力砼箱梁的另一技术特点是通常采用体内、体外预应力索并用的方式:即在混凝土顶板、底板中配置纵向预应力筋,用以抵抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束,通过转向块来转向并最终锚固在横隔板上,实现曲线或折线配筋,以体外索来承担外荷载的作用,如有必要时,可以在使用期间封闭交通来张拉更换体外索以加固桥梁结构或提高其承载力。

波形钢腹板

波形钢腹板节段之间及与上、下混凝土板的连接:波形钢腹板的预制节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接,波形钢板与混凝土顶底板的连接:一是非埋入式连接,在波形钢板的上下端部焊接钢板,钢板上焊接穿孔板、角钢或剪力钉(柱型螺栓),使之与混凝土板结合在一起。二是埋入式连接,在波形钢板上打孔。穿过钢筋(贯通钢筋),再在钢板的上、下端部焊接纵向钢筋(约束钢筋)并埋入混凝土的结合方法。

波形钢腹板

波形钢腹板与混凝土板的的连接

波形钢腹板

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波形钢腹板

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波形钢腹板

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波形钢腹板桥设计


国内外目前为止,用于波形钢腹板PC桥梁的结构型式有,简支梁、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥。广东地标根据各国设计实例,对波形钢腹板组合箱梁桥的适用桥型做了相应的规定。

波形钢腹板

对于截面形式,普遍采用的仍为单室箱截面。日本波形钢腹板组合结构研究会出版的《关于波形钢腹板桥梁的Q&A》中则写道,“目前已建桥梁中,还没有用于多室箱梁桥中的波形钢腹板结构。具有多室箱梁的波形钢腹板结构中,若干事项还没有明确,有必要对这些进行详细的研究。如果这些事项能用试验、FEM分析等进行评价,认为也能应用多室箱截面。这些事项包括:各腹板分担的剪力的比例、扭转刚度的评价方法、翘曲应力的计算方法、板的设计弯矩的计算方法等。”但近年来仍有少量采用多室箱截面的工程实例。在建的河南朝阳沟特大桥是少见的单箱多室截面的波形钢腹板组合梁桥。广东地标规定,根据桥面宽度不同,波形钢腹板组合箱梁桥可做成单箱单室、单箱多室。

波形钢腹板

梁高方面,可参照常规混凝土箱梁桥按跨度选定,但因波形钢腹板组合箱梁桥梁高增加后重量增加较少,故选择较高的梁高是合理的。广东地标则规定:波形钢板波长宜采用1000型、1200型、1600型三种型式。小跨径桥宜用小型号波形钢腹板,大跨径桥宜多用大型号波形钢腹板。40~150m跨径连续梁,宜用1600型波形钢腹板。当使用其他形状的波形钢腹板时,应对波幅、波高、幅段倾角等进行合适的选择并作相应研究、试验,以确保安全性。

波形钢腹板由于具有波折,其剪切屈曲强度较之平钢板有很大提高,而除了板厚,波形也直接影响着剪切屈曲强度,是保证波形钢腹板受力安全的关键所在。较小的波高能提高剪切局部屈曲强度,但会降低剪切整体屈曲强度,波高极小时,还会降低腹板的横向刚度,对顶板活载下的弯矩产生不利影响。因此腹板的波形最好参考以往的工程实例,否则应对腹板的横向刚度、桥面板的弯矩等进行综合详细的研究分析。此外还应考虑运输条件、施工可行性及经济性等。

波形钢腹板

波形钢腹板PC箱梁桥纵向受力与PC箱梁桥纵向受力类似,其重量可减轻,但刚度亦较低,故波形钢腹板PC箱梁桥的总体设计可参照PC箱梁桥,其梁高设计亦可参照PC箱梁桥。


对波形钢腹板的PC箱梁桥,即使提高梁高,对恒载的影响也是很小的,所以比起混凝土腹板的PC箱梁桥,其梁高的选择一般略高于PC箱梁桥。


梁高统计归纳计算公式为:


跨中断面高跨比


(h/L)=(0.0047×L+0.7859) ×(3×10-6L2-0.0009L+0.0887)


根部断面高跨比


(h/L)=(0.002×L+0.9338) ×(-2×10-6L2-0.0003L+0.0483)


梁底曲线设置类同PC桥一般常用二次抛物线。


波形钢腹板PC箱梁桥的箱形断面总体尺寸与设置规则,类同于普通PC箱梁。


波形钢腹板PC箱梁桥的支点附近,要用一段混凝土里衬,使波形钢腹板与墩上块箱梁混凝土腹板连成一体,以使应力顺利过渡。


波形钢腹板PC箱梁桥,比起通常的混凝土腹板PC箱梁桥,因断面抗扭刚度较小,为提高其抗扭能力,应设置必要的横隔。


横隔设置一般按维持两种箱梁扭转刚度一致原则设置,其横隔间距设置经验公式为:


波形钢腹板PC箱梁的扭转刚度比混凝土腹板箱梁扭转刚度小,因此应用于曲线桥时应当留意控制弯曲半径,适当加大抗扭刚度。 

波形钢腹板

波形钢腹板PC箱梁竖向弯曲计算符合以下假定:


1忽略波形钢腹的纵向抗弯作用


2在竖向荷载作用下弯曲平面假定成立


3弯矩仅由混凝土顶底板构成的断面承担


4剪力由波形钢腹板承担,且剪应力呈均匀分布

波形钢腹板

波形钢腹板PC桥的设计类同PC箱梁桥,其总体框图如下:

波形钢腹板

纵向计算框图:

波形钢腹板

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抗剪设计框图:

波形钢腹板

在竖向弯曲时波形钢腹板上的剪应力分布和传统的混凝土腹板有所不同, 沿梁高基本呈等值分布。由于轴向压应力较小,钢腹板可以视为纯剪切状态, 因此设计时需要验算钢腹板的剪应力,虽然满足强度设计要求,然因波形钢腹板一般均比较高、比较薄,故还有较大的剪力屈曲稳定问题。还需要计算钢腹板的剪切屈曲。波形钢腹板的剪切屈曲分三种:局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲。  


三种屈曲形式:

波形钢腹板

当极限荷载作用时,剪应力即使在允许应力以内时,设计亦并非可用,由于波形钢腹板的形状不同,即使剪应力在允许范围内,板的剪切屈曲也可能发生,所以对剪切屈曲的安全性验算必须进行。对波形钢腹板屈曲安全性计算,可以用有限变形理论的有限元方法作安全性验算,但实际上,用压杆的稳定性理论的有限元法对波形钢腹板的屈曲安全性进行计算也可以得到足够安全性的保证。以压杆理论为基础的波形钢腹板屈曲计算如图 

波形钢腹板

波形钢腹板

为经济合理计,设计宜控制屈曲发生在屈服区、非弹性区为原则,此时屈曲应力一般均大于或近于屈服应力,即使剪应力低于屈服应力时,波形钢腹板不发生屈曲,以使材料得以合理应用。总之,如图所示屈曲进入非弹性领域是容许的,但设计追求的目标却是λs ≤0.6(λs为剪切屈曲系数,波形钢腹板或 波形钢腹板


局部屈曲临介应力计算:

波形钢腹板

整体屈曲临介应力计算:

波形钢腹板

组合屈曲临介应力计算:


波形钢腹板组合屈曲临界应力可用局部屈曲临界应力与整体屈曲临界应力的乘幂与相关式来求得:

波形钢腹板

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横向分析:


波形钢腹板PC箱梁桥的整体分析如同PC箱梁桥一样包括纵向整体分析与横向整体分析,在混凝土腹板的PC箱梁桥的设计中,腹板、顶底板加腋的设计被包含在横向设计里,而在波形钢腹板的PC箱梁桥中,关于波形钢腹板的剪切的研究并没有包含在横向设计里。但是,关于波形钢腹板与桥面板连接部设计中用到的角隅弯矩,则由横向分析求得。


横向分析一般采用平面框分析或三维FEM分析等方法。


横向分析主要用于计算桥面板与角隅弯矩(供连接计算用)。 


波形钢腹板与顶、底板的连接部设计:


对作用于波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接部的桥轴方向的水平剪力,应验算设计荷载作用时,以及极限荷载作用时的安全性。安全性验算标准为作用于连接部的剪力应小于抗剪连接件的容许剪力以及极限屈服强度。


对发生于连接部的与桥轴成直角方向的弯矩,必须验算设计荷载作用时以及极限荷载作用时的安全性,安全性的验算标准为使角隅弯矩所引起的应力在限制值以下。


连接计算例—埋入式连接


埋入式连接的抗剪承载力,要分别验算斜幅板间的抗剪齿键、混凝土抗剪销、销间钢板以及贯穿钢筋等的抗剪力。

波形钢腹板

a 斜幅间混凝土抗剪齿键的验算


a-1 极限荷载时:

波形钢腹板

a-2 设计荷载时:

波形钢腹板

埋入式连接:

波形钢腹板

在埋入式连接而成的抗角隅弯矩的抗力的计算中,要进行以下所示的3种状态的计算。


a 混凝土剪力销的剪应力引起的抗力分析(图1)


b 波形钢板埋入段承压应力引起的抗力分析(图2)


c 因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力分析(图3)

波形钢腹板

波形钢腹板

波形钢腹板

a 混凝土剪力销的剪切应力引起的抗力分析

波形钢腹板波形钢腹板

b 埋入段波形钢板承压应力引起的抗力分析

波形钢腹板

c 因波形钢腹板板幅受压而引起的抗力分析

波形钢腹板

焊接部的验算:


焊接部的验算,应当对设计荷载时的桥轴方向与轿轴成直角方向及组合应力进行验算。

波形钢腹板

体外索的锚固部以及转向部构造:

波形钢腹板

体外索的锚固部以及转向部的构造,必须要考虑波形钢腹板PC箱梁桥的特性来选定合理的构造。


体外索的锚固部,为了顺畅的向主梁顺利地传递钢绞线的张拉力,必须考虑主梁构造、主梁所配置的体外索的规格以及根数来选定恰当锚固、转向的构造。对锚固部的设计,对因钢绞线张拉力在各个构件上所发生的局部应力等,要用恰当的方法分析,以确保所要求的耐荷能力以及耐久性。


体外索的转向部是确保桥梁整体机能的重要部位,必须做成使结构整体机能能够充分发挥的构造。对转向部的设计,因体外索的侧压力等的荷载在各个构件上所发生的应力, 应用恰当的方法分析,以确保所要求的耐荷能力以及耐久性。


波形钢腹板PC箱梁桥的剪切变形,通常用以下公式来表示:

波形钢腹板

波形钢腹板

剪切修正系数可根据以下公式所算出腹板的剪应力,与主梁截面承受到的全部剪应力之比作为腹板的分担剪力的比例来算出。


波形钢腹板桥计算内容:

波形钢腹板

波形钢腹板

波形钢腹板梁桥跨径突破


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。

波形钢腹板

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。


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。


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,负弯矩大致相当,技术上完全具备可行性。同时与其他桥型比较,具有良好的经济性和耐久性。

波形钢腹板

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。

波形钢腹板

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