波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点_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文章编号:1002-0268(200203-0053-05收稿日期:2001-06-18 波形钢腹板PC组合箱梁的结构特点李宏江,万水,叶见曙(东南大学,江苏南京210096摘要:随着桥梁跨度的增加,减轻上部结构自重便成为首要问题。波形钢腹板PC组合箱梁是一种新型的钢-混凝土组合结构。这种结构能够实现主梁的轻型化,进而减轻下部结构的工程量。通过对这种结构在国外的工程研究,本文介绍了这种箱梁的波形钢腹板和预应力体系的构造特征

2、,并着重分析了箱梁的轴向变形、弯曲应力、钢腹板的局部屈曲、整体屈曲、合成屈曲稳定性以及扭转等力学特性,并以日本的松木七号桥和其他实桥为例,进一步介绍这种箱梁的结构特点及施工方法。关键词:PC组合箱梁;钢-混凝土组合结构;波形钢腹板;屈曲稳定性中图分类号:U448.213文献标识码: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预应力混凝土箱梁需要在腹板内布筋和使纵向预应力筋转向,故必须增加腹板的厚度,从而腹板面积高达其总截面面积的25%30%。因此,采取新型结构或其他办法来减少腹板厚度,对于减轻箱梁自重,降低箱梁纵向预应力值及减少预应力筋用量是十分有效的。随着外部预应力技术的日趋成熟,以及新型建筑材料的发展,法国的有关部门对长大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行了研究。首先提出了用平面钢板代替箱形截面混凝土腹板(图1,并通过箱形截面内的体外力筋施加预应力的办法。法国的Ferte-Saint-Aubin桥是这种结构形式的典型代表

7、。该桥为跨径38m图1用平面钢板作腹板的典型截面的简支结合梁桥,单室箱梁高1.625m,钢腹板厚12mm,在钢腹板高度的1/3及2/3处沿轴向设置有水平加劲板1。这种钢-混凝土组合结构形式虽然非常简单,但由于上、下翼板混凝土的徐变、干燥收缩而产生的变形受到钢腹板的约束,使得上下翼板里的有效预应力显著减小,而钢腹板内压力增加,施加的预应力向钢板转移的结果,要求钢腹板上增设加劲板以防止腹板屈曲,从而使工程费用增加。为解决由于钢腹板的约束作用造成截面预应力损失,1975年法国CB 公司提出了用波形钢板(沿桥轴方向呈波形,图2所示代替平面钢腹板的设想。这种波形钢腹板因其在轴向为折迭状板,当受到轴向预压

8、力作用时能自由压缩,因此由上、下混凝土翼板的徐变、干燥收缩产生的变形将不受约束,从而避免了由于钢腹板的约束作用而造成箱梁截面预应力的损失。经FE M 数值分析后,法国CB 公司修建了模型试验桥,即Cognac 桥,于1986年建成的Cognac 桥是最早的波形钢腹板PC 组合箱梁桥。为确立该类桥的设计计算方法,法国CB 公司对该桥进行了定期观测。后来,为进一步验证波形钢腹板的抗剪、抗扭及稳定性方面的受力特性,法国又先后修建了Maupre 高架桥、Asterix 桥与Dole 桥等3座波形钢腹板PC 组合箱梁桥。日本对该类桥进行研究并参考了法国同类桥的设计计算方法后,也先后修建了新开桥、本谷桥以

9、及松木七号桥等,进一步拓宽了该类桥的适用范围,使波形钢腹板PC 组合箱梁得到发展 。图2波形钢腹板PC 组合箱梁1设计要点1.1构造特征(1波形钢板的几何参数及节段连接方式。上、下混凝土板在现场浇筑,而波形钢腹板是在工厂压制成型的构件,其主要几何参数为板厚t 、波高h 、波形钢腹板的高度H 、折痕点之间的长度c 以及形状系数(如图3。其中板厚t 由钢腹板的最大剪应力控制,波纹的形状(波高h 、腹板高H 由剪切屈曲应力控制。形状系数为波形钢板的水平长度与实际长度的比值,即=L /l i。表1给出了国外4座桥的波形钢腹板的参数 。图3波形钢板的几何参数国外4座桥的波形钢板的参数表1桥名板厚t (m

10、 m 折弯点之间的长度c (mm 折弯角度(度波高h (mm 形状系数(mm 钢腹板高43029.82200.93最小1081最大4011波形钢腹板在纵向划分的节段数取决于工厂的压制成型设备的能力,在中等跨径的该类桥中,节段长一般为712m 。如法国Maupre 高架桥的波形钢腹板的纵向预制节段长为12m 1。而日本新开桥,纵向总长30m 的波形钢板划分为4段进行制作2。波形钢板在工厂还要进行涂漆防护、预拼装,然后运至现场,进行节段之间的连接。由于波形钢腹板具有折迭效应,在连接部位基本没有轴向力作用,可以采用单面摩擦连接。在日本,通常采用在连接部分焊接翼缘板,再用螺栓连接方法和把钢板相互对接坡

11、口焊的方法。而在其他国家是将钢板重迭,进行贴角焊的方法。(2体内、体外预应力混合型配束方式。波形钢腹板PC 组合箱梁由于使用波形钢腹板,因而无须像通常的PC 箱梁那样在腹板内配置预应力筋并在腹板内实现转向。它通常采用体内、体外预应力并用的方式,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。在箱内配置外部预应力束并通过梁端的横墙和跨内的横隔板来转向,实现曲线或折线配筋,用来抵抗活载(图4。通常在桥台后设置有张拉室,且与箱梁贯通,便于体外预应力束的日检、维修及更换或添加3 。图4体外预应力束的布置(3波形钢腹板与上、下混凝土板以抗剪连接件的方式结合。对于结合部的连接,通常的做

12、法是在波形钢板的上下端部焊接钢制翼缘板,翼缘板上焊接剪力钉(如柱型双头螺栓,使之与混凝土板结合在一起(图5。而日本本谷桥采用在波纹钢板上钻孔,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(图公路交通科技2002年第3期5。这种结合方法利用被埋入混凝土内的波形钢板的斜向面板(作为抗剪结合件有效地发挥作用,以及雷昂哈特的混凝土抗剪销来抵抗和传递剪力4 。图5混凝土板与钢板的连接1.2波形钢腹板PC 组合箱梁的力学特性(1波形钢腹板的轴向变形特性波形钢板在纵向如风琴一样可以自由变形,在轴向力P 作用下,轴向变形很大,因而其表观弹性模量很小。波形钢板在纵向(x

13、轴方向的表观弹性模量与波高h 、板厚t 以及波纹的形状系数有关,具体表述为下面的公式E x =E 0(t /h 2(1式中,E 0为钢板的弹性模量。如日本新开桥4,E x=E 0/617。因此,设计上可以认为腹板不承担轴向力,而轴向力仅由上、下混凝土板承担(图6 。图6由弯曲和轴向力产生的应力分布(2主梁的弯曲应力计算由于波形钢板具有三维柔性5,因而也不抵抗弯矩。当梁弯曲变形时,弯曲计算中所用到的各种断面几何特性可以不考虑腹板,即其置换断面如图6所示,仅由上、下混凝土板构成,也就是说弯矩仅由上、下混凝土板构成的断面的抗弯刚度来抵抗。同时,该类桥主梁的弯曲特性可以用通常的梁理论中的平截面假定来描

14、述6。弯曲计算采用以上断面常数,并根据梁理论计算应力,布置其体内、体外预应力束,其中体外预应力束作为建成后的连续束使用,其布置基本上可以抵抗活载。(3波形钢腹板的剪切屈曲稳定性主梁受弯的同时,还承受剪力。计算时剪力全部由波形钢板承担。其剪应力和混凝土腹板中的情况不同,沿梁高基本呈等值分布。由于竖向压应力一般很小,钢腹板中的应力状态一般视为纯剪。因此除验算钢板剪应力外,还要计算板的屈曲应力。即考虑波形钢腹板的屈曲稳定性。波形钢板的屈曲通常有3种模式。(a 局部屈曲模式。它仅为深折槽腹板的临界状态,与两个折槽间一段视为简支的钢板条的不稳定性有关(图7。剪切作用下局部屈曲应力可按下述公式7计算cr

15、,l =E 0212(1-v 2(t /b 2·k (2式中,c r ,l 为剪切局部屈曲应力;E 0为钢腹板弹性模量;v 为钢腹板泊桑比;a 为波形钢腹板相邻两弯折边间钢板的长边;b 为波形钢腹板相邻两弯折边间钢板的短边;t 为钢板厚;k 是由板长宽比决定的系数7 。图7波形钢腹板的屈曲图示(b 整体屈曲模式。其特征为常规的波长较长的变形在无局部屈曲的情况下逐渐发展,与在正交异性板中的情况相似。它是浅折槽腹板的临界状态(图7。可由John 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 为整体屈曲应力

16、;E 0为钢腹板的弹性模量;I x 为桥纵向每单位长的断面惯性矩;I y 为竖向每单位长的断面惯性矩;t 为板厚;1.01.9(简支时=1.0,固定时=1.9。(c 合成屈曲模式。其特征为钢板沿折叠线产生突发的、不可逆转的塑性变形,这是具有中等折槽深波形钢腹板PC 组合箱梁的结构特点李宏江等度腹板的临界状态,是一种处于局部屈曲和整体屈曲的中间的模式,由下述公式确定91 cr,i =1c r,l=1cr,g(4式中,c r,i为局部屈曲应力,cr,g为整体屈曲应力,分别由公式(2和(3确定。(4主梁的扭转特性在偏心荷载作用下,主梁截面将发生扭转变形。由于混凝土腹板的箱梁刚度较大,扭转的影响很小,

17、扭转变形能很快地被截面上横向框架效应和板的面内挠曲刚度所吸收。在波形钢腹板PC组合箱梁中,这一状态也很相似,但由于波形钢腹板的弯曲刚度与上、下混凝土板相比小很多,因此断面的扭转变形影响将会显著增大,使混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力,这是不可以忽略的。应设置较多的横向联结钢构件或横隔板来限制扭转,并使其与用来使预应力束转向的转向块合为一体。日本曾对横隔板间距对扭转变形的影响作过研究10,利用扭转常数与横隔板间距的相关曲线,就可以得到一定箱梁扭转常数下的横隔板间距的大体上的值,在不过多增加主梁自重的情况下,适当调整横隔板间距对限制扭转变形是有效的。2实例分析2.1日本松木七号桥(亦称银山御幸桥松

18、木七号桥修建于地形、气候恶劣的山区。该桥上部结构为5跨(27.4m+3×45.5m+44.9m单箱单室等截面连续梁(桥横断面如图8,纵断面如图9,桥长L=210m,桥宽W=8.5m,纵坡I=6%。主梁混凝土40MPa。波形钢腹板在工厂预制、试拼装、涂漆,其构造如图10所示。板厚t=8mm,波高h= 150mm,钢板折弯点之间的长度b=300m m,波形钢腹板高度H=2210mm。为了减小因角度过多变化而引起预应力损失及施工的方便,该桥的外部预应力束采用单跨束与两跨连续束互相重叠搭接的配束方式 ,图8松木七号桥主梁横断面图(单位:mm 图9松木七号桥主梁纵断面图(单位:mm 图10松木

19、七号桥波形钢腹板构造(单位:mm 图11松木七号桥预应力布置(单位:mm如图11所示。锚固处为两端横墙或跨内横隔板。预应力束套管为高密度聚乙烯PE管,套管内注入水泥浆,以防止预应力束锈蚀,梁端锚固处设置混凝土封顶层。腹板与上、下混凝土板的连接通过焊接在波形钢板上的钢翼缘及其上的22双头螺栓结合在一起。翼缘板宽150mm,双头螺栓纵向间距125mm,横向间距55mm。该桥由于采用轻型化的波形钢腹板,使得主梁自重比混凝土腹板的PC箱梁可减轻25%,从而减小了下部结构的负担,下部结构可以做得比较轻盈,这样就减少了因下部结构而造成的开挖方量,有利于环境保护和植被生长。由于主梁的轻量化,可以采用顶推施工

20、法。这种施工方法无须在梁下空间搭设临时支架,这样就使得施工时的作业面变小,对周边环境的影响也大为减轻,且施工进度快,又不受冬季雪期的限制。该桥采用斜吊顶推的施工技术(图12。主梁预制场设置在A2桥台后,分为19个节段,标准节段长11.0m,前3个节段先不浇注顶板混凝土,而用自重较轻的薄钢板代替,或用作顶推时的鼻梁(导梁,同时在第5节段上组拼塔柱,张拉锚固斜拉索(前方4根,后方4根,为避免塔柱正下方主梁断面应力公路交通科技2002年第3期 图12斜吊顶推施工图示(单位:mm过大,整个顶推施工进程中对斜拉索的张拉力共调整了4次。该桥施工期为2年半。由于该类桥目前尚无成熟的设计方法,且结构较为新颖,

21、所以,在该桥施工期对主要控制断面的应力和挠度进行了观测,待竣工后,又作了成桥后的荷载试验,对设计方法的稳妥性加以进一步验证。该桥具有很强的美感。白色的混凝土与茶色的波形钢腹板之间形成鲜明的对比度,产生优美的立体感,与周围的自然景观和谐一致。2.2其他实例目前世界上已建成十余座波形钢腹板PC组合箱梁桥。有简支梁,有连续梁,截面形式多为箱形,也有三角形,跨度在3050m之间。例如,法国的Cognac 桥、Maupre桥、Asterix桥和Dole桥,日本的新开桥、本谷桥、松木七号桥,挪威的Tronko桥,委内瑞拉的Cara-cas桥等。现将其中的几座桥的情况列于表2。国外5座波形钢腹板PC组合箱梁

22、的设计参数表2桥名上部结构形式建桥时间(年桥长(m桥宽(m跨径施工方法法国Cognac桥波形钢腹板单箱单室等截面连续梁法国Maupre高架桥波形钢腹板三角形箱形等截面连续梁40.92m+44.10m+47.25m+50.40m+53.55m+47.25m+40.95m顶推日本本谷桥波形钢腹板单箱单室变截面连续梁日本松木七号桥波形钢腹板单箱单室等截面连续梁日本新开桥波形钢腹板双箱单室等截面单跨简支梁3结束语波形钢腹板PC组合箱梁可以减轻自重,提高预应力的效率和减少预应力钢材用量,波形钢腹板对上、下缘混凝土的徐变、干燥收缩变形不起约束作用,避免了预加力向钢腹板的转移,体外预应力束可以替换,有利于桥梁的维修与补强,并且