二级结构考试辅导：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法

二级结构考试辅导：波形钢腹板组合箱梁的结构设计方法随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的进展，很多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进展讨论。在上世纪八十年月，法国首先设计并建筑了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合构造桥梁－Ｃｏｇｎａｃ桥，其后又相继建筑了Ｍａｕｐｒｅ高架桥、Ａｓｔｅｒｉｘ桥和Ｄｏｌｅ等数座波形钢腹板的组合构造桥梁，该形式箱梁的典型构造如图１所示。自上世纪九十年月起，日本也对该类形式的桥梁进展了讨论，在参考法国同类桥梁的根底上，先后修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，其中有连续梁桥，也有连续刚构桥，拓宽了其使用范围，进展了设计和施工技术。

波形钢板即折叠的钢板，具有较高的剪切屈曲强度，用它作为混凝土箱梁的腹板，不但充分满意了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括根底在内的下部构造所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中布置钢筋、设置模板等繁杂的工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不反抗轴向力，能更有效地对混凝土桥面板施加预应力，提高了预应力效率。这种组合构造能削减工程量、缩短工期、降低本钱，在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力。

２设计方法

当桥梁上部采纳波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的构造形式时，和一般的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要结合详细的施工形式，比方，连续梁桥可以采纳悬臂施工、顶推法施工或其它的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常同时设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力反抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来反抗活载。这样考虑的缘由之一，是为了满意更换体外预应力钢束时构造的受力要求。

２．１纵向抗弯计算

波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形很大，表现出来的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波浪外形有关，可由下式计算

Ｅｘ＝αＥ(ｔ／ｈ)２（１）

式中，Ｅｘ为等效轴向弹性模量；Ｅ为钢材的弹性模量；ｔ为钢板厚度；α为波浪的外形系数。依据此式，日本新开桥Ｅｘ＝Ｅ／６１７。已进展的模型试验和有限元计算的结果，进一步证明波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽视，即在进展截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍旧根据平截面假定计算应力、布置预应力钢束。

２．２抗扭计算

箱梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的影响并不大，但在波形钢腹板箱梁中，由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的影响显着增大，会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力。到目前为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论。通过对建成的该类桥梁的技术总结和讨论，日本工程师上公平人提出了一种计算其抗扭刚度的方法(２)式中，Ｊｔ为抗扭刚度；Ａｍ为箱梁的横截面面积；ｂ１为箱体的宽度；ｈ１为波形钢腹板的高度；ｎｓ为钢材和混凝土剪切模量的比值；ｔ为构件的厚度；α为修正系数(３)实际设计当中，鉴于截面扭转刚度和横隔板布置有亲密关系，在不过于增加主梁自重的前提下，适当增加横隔板数量并调整间距可以有效的保证箱梁抗扭刚度。

２．３波形钢腹板的应力计算

波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定构造全部的剪应力都由波形钢腹板承受，忽视混凝土顶板和底板对剪应力的反抗作用，从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度。

波形钢腹板不仅承受上述剪应力，同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，因此必需对波形钢腹板的合成应力进展验算，公式为(４)式中，σｂ为拉应力；σａ为抗拉强度；τｂ为剪应力；τａ抗剪强度；γ为安全系数，建议取值为１．２。

２．４波形钢腹板的屈曲稳定性计算

波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式。

（１）局部屈曲模式

波形钢腹板的某一个波段局部消失屈曲破坏的现象。

（２）整体屈曲模式

波形钢腹板整体消失屈曲破坏的现象。

（３）合成屈曲模式

波形钢腹板同时消失局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象，是处于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式。

２．５波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接

模型试验说明，在加载后期，除了底板横向开裂外，波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂，随着裂缝的进展，构造刚度快速降低，最终导致破坏，破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂。波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接直接关系到构造的承载力，是设计此类桥梁中特别关键的环节。

对于连接部的设计，通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起。还可以采纳在钢腹板上钻孔，穿过钢筋，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做法。在此根底上，还可衍生出其它的连接方法。

３工程实例

自１９９３年起，日本从法国引进了波形钢腹板组合构造的技术，目前，日本大力鼓舞设计人员在主要高速大路中采纳这种构造形式。

正在建立中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速大路段的一局部，为采纳波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥。全桥的立面布置见图５。主梁为单箱单室的变高度箱梁，同时设置了体外和体内预应力体系。支点梁高４．０～４．６ｍ，跨中梁高２．０～２．２ｍ，梁高根据二次抛物线变化。波形钢腹板采纳抗拉强度４９０ＭＰａ、抗剪强度２０５ＭＰａ的耐腐蚀钢板，波长１．２ｍ，波高２００ｍｍ，钢板厚度９～１９ｍｍ。为了提高主梁的横向抗变形力量，除在支点