波形钢腹板组合梁桥的发展状况及特点

(1.阿拉善盟交通设计研究有限公司；2.阿拉善盟公路工程局有限责任公司， 内蒙古 巴彦浩特 750306)
摘 要：文章阐述了波纹钢腹板组合梁桥的建设情况，详 细介绍了该类桥型的特点以及连接方式。
关键词：波形钢腹板；组合梁桥；连接方式
中图分类号：U449  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2010)01—0070—03

波形钢腹板(Corrugated Steel Web)预应力混凝土组合梁结构是一种新型的钢-预应力混凝 土组合结构。这种组合梁结构的特点是：用12mm左右厚的弯折钢板取代厚30cm～80cm的混凝 土腹板，使箱梁自重减轻了20%左右，从而降低了材料用量和造价。其结构构造见图1，由于 不需要混凝土腹板，相应减少了钢筋和模板的拼装、拆除作业，缩短了工期。

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1 波形钢腹板组合梁桥的构造特点
1.1 构造特点综述

目前，建成的波形钢腹板组合梁桥，主要截面形式分为两种：①箱型截面，此时两片波形 腹板倾斜放置。②工字形截面，此时一片波形钢腹板竖直放置。其余构造特点类似， 绝大多数波形钢腹板预应力组合梁桥采用了箱型截面，即波形钢腹板PC组合箱梁，在此以箱 梁为例来介绍波形钢腹板组合梁的结构构造特点。

从表1所示的波形钢腹板组合梁桥来看，结构体系大多为连续体系。兼有简支、刚构等体系 。在架设时大致采用的施工方法有支架施工法、顶推施工法、悬臂施工法、逐跨施工法，相 对于支架施工法与顶推施工法，悬臂施工法使用的比较多，在实现大跨度上比较有利。另外 ，除少数桥采用预制梁整跨吊装或预制节段梁逐跨支架施工外，绝大多数桥梁都是现浇结构 形式。
1.2 波形钢腹板形状

波形钢腹板一般是在工厂通过冷弯加工制作成形，原则上要保证弯曲半径为板厚的15倍以上 ，当不能达到要求时，应确保钢材应有的冲击吸收功，并且控制氮元素的含量。另外，腹板 波形的形式选择主要考虑以下几个方面：①加工工艺难易程度；②应力状况，是否引起应力 集中；③是否易于参数化建模，以利于后继的ANSYS进行优化设计。

综合以上几方面的因素，我们目前一般采用转角弯折成弧度的梯形波形(图2)。

波形钢腹板的主要几何参数有板厚t_w、平板长度a_w、斜板长度b_w、波形钢腹板的高度 H、波高h、弯折角度θ以及腹板波折处连接弧线的半径R等。其形状是按照剪切屈曲前不能 发生剪切屈曲、极限荷载作用时不能发生剪切屈服的条件设计的。当满足上述条件后，波形 高度极其小的情况下常会发生剪切屈服，这时必须考虑到桥梁横向刚度以及对疲劳性能的影 响等综合因素来确定各尺寸。

桥梁波形钢腹板的形状和尺寸具有如下特点：①除去采用预制节段梁并要求与相邻桥梁等高 的锅田高架桥之外，所有桥的波形钢腹板直板段与斜板段的宽度都相同；②除去锅田高架桥 及其最早建成的Cognac桥，波形高度与直板段或斜板段的宽度的比大致在0.4~0.6之间；③  腹板厚通常要满足钢板最小厚度的要求，一般使用的最小厚度为8mm或9mm。④波形腹板厚 度、梁截面高度与最大跨径的变化关系。除去极少数桥梁的跨中与墩上的截面高度、腹板厚 度相同外，跨中板厚与波形高度比约为005；而墩上板厚与波形高度比的变化 较大。截面高度与波形高度比，在跨中处为10~20；在墩上为20~35。
2 波形钢腹板组合梁桥的特点
2.1 与预应力混凝土箱梁桥相比的优点

①自重降低，抗震性能好。腹板采用较轻的波形钢板，其桥梁自重与一般的预应力混凝土箱 梁桥相比大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能获得一定的提高。②节约建筑材 料，改善经济指标。采用波形钢腹板代替厚重的混凝土腹板，大幅度减轻了上部结构的自重 ，增大了桥梁的跨径并使下部结构的工程量获得减少，从而降低了工程总造价。③改善结构 性能，提高预应力效率。波形钢腹板的纵向刚度较小，几乎不抵抗轴向力，因而在导入预应 力时不受抵抗，纵向预应力束可以集中加载于上、下翼缘板，从而有效地提高预应力效率。④各种材料各尽所能，充分发挥其效率。在波形钢腹板PC 箱梁桥中，混凝土用来抗弯，而 波形钢腹板用来抗剪，几乎所有的弯矩与剪力分别由上、下混凝土翼缘板和波形钢腹板承担 ，而且其腹板内的应力分布近似为均布图形，而非传统意义上的三角形， 有利于材料发挥 作用。⑤增加了截面回转半径，提高了结构效率。波形钢腹板PC箱梁桥中的混凝土均集中在 上下翼缘处，回转半径几乎增加到最大值，大大地提高了截面的结构效率。⑥减少现场作业 ，加快施工进程。波形钢腹板PC 箱梁桥在施工过程中，可以减少大量的模板、支架和混凝 土浇筑工程，免除了在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺，而且波形钢腹板可以工厂化生产 ，现场拼装施工，从而加快了施工进程。⑦减少了节段数量，缩短了工期。由于梁体自重的 减轻，悬臂施工时，可减少节段数量，如在采用混凝土腹板箱梁时，本谷桥需要39个节段 ，而采用波形钢腹板后，只需要31个节段，节段数减少了20%，因而可以大大地加快施工速 度，缩短工期。⑧体外力筋可以替换，便于桥梁的维修和补强。波形钢腹板PC箱梁桥采用体 外预应力，因而即使在长期运营后，体外预应力索出现磨损或断裂时，也可以在夜间停止车 辆通行后对其进行更换。⑨避免了腹板开裂问题，耐久性能好。传统的预应力混凝土箱梁桥受外力荷载以及混凝土收 缩、徐变的影响，常常在腹板出现裂缝，造成了混凝土截面削弱、钢筋腐蚀乃至于要进行维 修补强等一系列问题，而波形钢腹板PC箱梁桥则不会出现上述问题，耐久性能较好。10造型美观。波形钢腹板具有优良的外观，可使桥梁获得较强的美感，是城区、风景区 较好的桥型选择。
2.2 波形钢腹板的缺点

①波形钢腹板较高的制作成本是其主要缺点，但随着制作工艺的提高，这一问题也正逐步 地得到解决。②相对于普通的混凝土箱梁来说，波形钢腹板箱梁断面的抗扭刚度和抗畸变 刚度有所降低。③波形钢腹板的屈曲破坏较为突然，且在屈曲后阶段，其承载能力大约下 降到相当于平钢腹板的水平。④当波形钢腹板之间采用焊接连接时，其竖向边缘焊接数 量比平钢腹板稍有增多。⑤波形钢腹板有较多的拐角，容易滞留泥沙等杂质，比平钢腹板 易受腐蚀。
3 波形钢腹板的连接
3.1 波形腹板间的连接

波形腹板一般由于加工、运输及其施工上的要求，在纵桥向都分割成节段，在现场加以拼装 。各节段腹板间的连接通常是焊接或用高强度螺栓。波形腹板与以往的平钢板间的连接不同 ，即在纵桥向刚度比较小，不需要承担轴力，仅仅需要考虑如何有效地承担剪力。腹板对接 在一起用坡口焊连接，作为强度方面是可以得到充分保证的，其优点是外观很好，可是施工 方面不是最好的选择。腹板搭接在一起用贴角焊连接，对于仅仅需要承担剪力的波形钢腹板 来说，是比较好的方法之一，法国的3座桥及日本的几座桥都是采用这种连接形式。采用单 面摩擦时把2块腹板搭接在一起是最简单的连接方式，本谷桥、胜手川桥等桥梁就采用这种 形式。另外，也有将焊接在波折腹板接头处的2块翼缘板用高强度螺栓连接的方式，银山御 幸桥就用这种连接。使用2块盖板的双面摩擦的实例较少，仅仅德国的Altwipfergrund桥采 用。具体的连接形式见图3~4。

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3.2 波形钢腹板与混凝土顶底板的连接

一般来说，剪力连接件可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。刚性连接件包括方钢连接件 、T型连接件、槽钢连接件、和马蹄形连接件等，而栓钉、摩擦型高强螺栓、锚和环钩以及 角钢则属于柔性连接件。方钢和栓钉分别是最典型的刚性连接和柔性连接件。中，结果导致混凝土被压碎或发生剪切 破坏，甚至引起焊接破坏，柔性连接件的刚度 较小，破坏时变形较大，破坏形态较为协调，作用在接触面上的剪切力会使连接件变形，当 混凝土板与钢梁之间产生一定的滑移时，其抗剪强度不会降低，很少发生突然的脆性破坏。

波形钢腹板组合梁常见的连接键形式有如图5所示的栓钉连接键，即在波形钢腹板的上下端 部焊接钢制翼缘板,翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起，此剪力键仅由栓钉 抗剪。

此外，嵌入式剪力键如图6也是一种新型的剪力连接键，它采用在钢腹板上穿孔，穿过贯穿 钢筋，再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的方法。这种剪力键不需焊缝 连接，其焊缝疲劳问题也就不用考虑；波形钢板特有的波形状，对斜向钢板在承受水平剪力 时是非常有利的。除了贯穿钢筋和混凝土抗剪销抗剪外，埋入混凝土顶、底板部分的钢腹板 折叠部分也参与抗剪。

波形弯筋剪力件是将成对焊接的弯起钢筋连接件首尾依次相连，就得到波浪形弯起钢筋连接 件。在钢梁上纵向成排设置，参照组合梁中弯筋剪力件的构造要求，用双面长度≥4倍钢筋 直径的侧焊缝焊接在钢梁上；弯起钢筋的角度宜为45°，弯折方向应指向纵向水平剪力方向 ；波形弯筋剪力件的水平段长度不宜小于10倍钢筋直径。为减小应力集中，增强连接可靠性 ，每片钢梁上翼缘上宜不少于施焊双排波形弯筋连接件。

与其他剪切连接件相比较，波形弯筋连接件具有下述特点：①构造简单，制作、施焊方便。 只需将直径≥10mm的螺形钢筋直接弯成连续梯形波即可，不需复杂的机械加工。②连接可靠 ，不宜损伤混凝土板。由于连接件钢筋与钢梁上翼缘形成封闭波形，相当于存在抗剪接合销 的作用，抗剪切和抗掀起能力较强；连接件不易在混凝土间形成纵向或横向裂隙，不会削弱 混凝土的纵向和横向刚度。

对于形式多样的抗剪连接键的选用，可根据组合材料、制作工艺、焊接技术、现场情况等具 体情况进行考虑。
4 结束语

通过对国内外波纹钢腹板组合梁桥的分析总结，了解了该类桥型在国外的修建状况得出了该 类梁体的主要结构特点及其应用上的优缺点。目前，我国的信阳光山泼河桥、鄄城黄河桥等 也采用了这种桥型。实践证明，采用波形钢腹板方案比混凝土梁方案在投资总额上有所减少 ，自重减轻也是非常明的显。另外利用波形钢腹板代替混凝土腹板，施工设施可以节省。施 工材料、设施的节省，可加快施工进度缩短施工周期，从而带来更好的经济效益。

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