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波形钢腹板预应力混凝土桥在我国的应用刍议
发布时间:2015/3/16 11:12:08    发布人:dajianpp
王用中 王健 田丰
摘要:本文简述了波形钢腹板预应力混凝土桥发展概况,结合工程建设论述了大跨度波形钢腹板预应力混凝土桥的关键技术问题及波形钢腹板预应力混凝土桥的经济性、构造合理性、可施工性等问题。
关键词波形钢腹板预应力混凝土桥   关键技术 应用 经济性
      1、引言

波形钢腹板PC桥源于法国,上世纪90年代初开始在日本应用。经由第二名神高速公路的建设,波形钢腹板PC桥成为日本高速公路桥的主导桥型,至今已建波形钢腹板PC桥200余座。本世纪初,波形钢腹板PC桥开始引起中国桥梁人的关注,2006年于河南南阳建成了中国第一座波形钢腹板PC桥——泼河桥,2008年超过日本波形钢腹板PC桥长度记录的山东德商高速公路鄄城黄河桥的建成以及河南大建、浙江中隧桥两家波形钢腹板两家厂商的成立,进一步促进了我国波形钢腹板PC桥的发展。短短数年,中国在建、已建波形钢腹板PC桥已超过40座,成为世界上第二个广为应用波形钢腹板PC桥的国家。图1为中、日两国已建、在建波形钢腹板PC桥跨度统计对比。由对比知,日本多于50~100m中、小跨度间应用波形钢腹板PC桥,中国则多在研讨40m左右作波形钢腹板PC桥的预制装配施工与150m~200m以上大跨径桥梁领域内应用波形钢腹板PC桥取代普通的PC桥梁,用作这一跨径领域的主导桥型。中国波形钢腹板PC桥的建设已形成自具特色的发展之路。下文介绍我国波形钢腹板PC桥发展特点及待深化问题。

中、日两国已建、在建波形钢腹板PC桥跨度统计对比
       2、大跨度波形钢腹板PC桥的建设
中日两国大跨度波形钢腹板PC桥对比如表1,由表知,中国波形钢腹板PC桥起步虽比日本晚了十年,但在波形钢腹板PC桥的跨度建设方面却有较快的超越。其诱发因素是中国大规模桥梁建设与对100~200m这个跨度领域里PC连续梁(刚构)桥的性能改善的渴求。我国是个桥梁大国,在100~200m这个跨度范围内,工程界习惯应用PC连续梁桥。然我国100~200m跨度的PC连续梁(刚构)存在两个比较突出的病害:腹板开裂、跨中挠度持续增大。波形钢腹板PC桥因自重较轻,恒载弯矩较小,钢腹板不存在开裂问题,从根本上避免了这两种病害。从中国普通PC连续梁桥建设情况看,波形钢腹板PC桥特别是大跨度(100m~300m)波形钢腹板PC桥,在我国的发展前景将会很大。
大跨度波形钢腹板PC箱梁桥根部梁高必然较大,按中、日两国波形钢腹板PC桥设计规准,于波形钢腹板PC桥支点部,波形钢腹板内侧应设置混凝土里衬以实现应力平缓过渡与确保支点部波形钢腹板的屈曲稳定。于波形钢腹板PC桥发展初期,于中小跨度波形钢腹板PC桥的建设,中、日相关准则偏安全地假定于根部波形钢腹板剪切屈曲计算中,可以不考虑里衬,而于混凝土里衬设计中,则应考虑按钢腹板、混凝土里衬折算面积比所分配来的里衬剪切力作配筋计算。对大跨度波形钢腹板PC桥,因梁高较大,似不能如此保守地考虑,故关于带混凝土里衬的波形钢腹板(实为钢·混组合腹板)承受剪切荷载的研究为大跨度波形钢腹板建设关键技术问题之一。于目前中国最大跨波形钢腹板PC箱形连续梁桥珠海前山河桥的建设中,已开始对这一课题的研究。
按我国珠海虎门辅航道桥的建设经验,按重庆石板坡大桥的设计思路,350m左右跨度的波形钢腹板PC桥应于可期望的将来在我国出现。
3、着力改善波形钢腹板PC桥的经济性
日本广为推广波形钢腹板PC桥的原因有两个:一是波形钢腹板PC桥的经济性;二是波形钢腹板PC桥的抗震性。据日本概约性统计,波形钢腹板PC桥较习用的PC桥,上部构造可省8%的造价。表2列出了中国几座波形钢腹板PC桥每平方米的主要材料用量指标,表中括号数为日本130座统计归纳的相应数值。由表知,我国当前波形钢腹板PC桥设计经济水准与日本相当且略经济一些。

表3为山东德商高速公路鄄城黄河桥主桥70m+11×120m+70m跨波形钢腹板PC桥与相应的习用PC桥材料用量对比,据此对比波形钢腹板PC桥于鄄城黄河桥主桥的应用节省工程造价达22%。

杭州市德胜东路改造提升工程九盛路段、杭海路段应用波形钢腹板PC45m+75m+45m),较常规桥减少砼25%,主材造价省2242.375万元。其它桥梁反映出的波形钢腹板PC桥经济性类此。
波形钢腹板PC桥属成熟的桥梁技术,但它目前在我国的推广应用亦属技术创新,经济性往往是人们对创新的第一关注点。如欲在我国推广波形钢腹板PC技术,作为桥梁工作者利用关注其经济性。
波形钢腹板PC桥更广义的经济性应该包括耐久性、可施工性等因素,而关于这方面的论述很多,这里不赘述。
4、深化对波形钢腹板PC桥梁力学性能与计算理论的认知
波形钢腹板PC桥设计基本假定为:
①因腹板的折绉效应,波形钢腹板PC桥箱梁承受弯曲时刻不考虑腹板,仅考虑混凝土顶底板。
②弯曲平面假定成立
③波形钢腹板PC桥箱梁弯曲剪力全部由腹板承担,且剪应力沿高度均匀分布。
在我国波形钢腹板PC桥建设过程中,结合工程建设,我们做了许多波形钢腹板PC桥梁的弯曲试验,论证了这两条基本假定。图2为由东南大学所作河南内乡张家庄天桥的梁弯曲试验结果。理论假定的正确性还由大量的波形钢腹板PC桥悬臂施工过程中施工监控所证实。鄄城黄河桥与内蒙古景家湾等大桥波形钢腹板PC主梁悬臂施工计算挠度与实测挠度对比吻合良好,说明了理论假定之准确性(图3)。
2 L/4截面竖向正应变图

3鄄城黄河桥10#墩大桩号侧顶板顶面高程监控情况
作为波形钢腹板PC桥设计考虑腹板剪切变形对弯曲变形的影响以及波形钢腹板剪切屈曲验算,为较有深度的两个力学课题。结合波形钢腹板PC桥建设,我们在这方面也做了大量的工作,其成果已反映于河南地方标准《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》DB41/T 643-2010、广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程》的编制工作中。
        
广东省地方标准《》关于波形钢腹板PC桥设计理论的深化反映于表4中。

5、剪力键的应用渐形成中国特色
归纳日本波形钢腹板PC桥应用了图4所示6中剪力键,早期的日本波形钢腹板PC桥多应用角钢剪力键,近期则多应用PBL剪力键。1995年建成的本谷桥(40m+97.7m+44m),波形钢腹板与预应力混凝土的连接选用了埋入式剪力键,其结构、经济效果都很好,此后则应用不多。我国山东德商高速公路鄄城黄河桥70m+11×120m+70m跨波形钢腹板PC桥主桥波形钢腹板与混凝土顶底板连接亦采用埋入式剪力键,经济效益很好,且无顶底板与腹板间焊缝疲劳问题,然续用者不多。

图4 波形钢腹板与混凝土顶底板的连接方式
于河南郑州桃花峪黄河桥跨北大堤桥75m+135m+75m跨波形钢腹板PC桥中,因底板混凝土浇筑的困难,将原设计S-PBL加栓钉的连接改用了角钢剪力键连接并做了较细致的剪力键试验。理论与试验均表明角钢剪力键受力明确、可靠。施工中混凝土易保证密实,因计算缘故大跨径波形钢腹板PC桥选择角钢剪力键者在逐渐增多。
栓钉连接是我国钢混组合结构最常用的剪力键连接形式,它有三个优点:①便宜②易施工③适于多向受剪。然因属弹性连接将其与有折皱效应的波形钢腹板联用似存有疑虑,阻碍了它在波形钢腹板PC桥中的应用。郑州朝阳沟水库波形钢腹板PC部分斜拉桥(58m+118m+188m+108m)设计中,将波形钢腹板与预应力混凝土顶底板的连接全采用了栓钉连接,应属一个很好的选择。
波形钢腹板与预应力混凝土顶底板的剪力连接关涉波形钢腹板PC桥设计的经济性,应慎重选择。如欲于波形钢腹板PC桥的设计、施工中利用由翼缘板和波形钢腹板构成的工字钢承重,则宜考虑角钢、栓钉等没有翼缘板的连接,如不考虑施工中利用波形钢腹板承重,则埋入式连接时最经济的选择。
6、充分发挥波形钢腹板PC桥的可施工性
波形钢腹板与其上下连接用翼缘板在施工安装阶段是可承重的,利用其作施工承重可形成悬臂施工中的Rap con/RW工法,如图5所示。我国四川叙古高速公路头道河大桥(72m+130m+72m)波形钢腹板PC桥正拟以此方案实施。带翼缘板的波形钢腹板亦可作为顶推施工中的导梁。我国郑州市常庄干渠桥(9×50m+9×50m+40m)正按此施工,其规模已超过了日本的岛崎川桥。广州市鱼窝头立交匝道桥、辽宁藩阳宽甸桥均借助波形钢腹板工字梁实现了城市高架桥的无支架施工。我国波形钢腹板PC桥的发展在这方面的探索毫不逊色。

图5 Rap con/RW工法
7、结语
我国是钢铁大国,又是桥梁大国,发展桥梁钢结构势在必然。对公路、城市桥梁因涉及混凝土路面,发展钢·混组合结构更符合营运条件。广义的钢混组合结构桥包括波形钢腹板PC桥、钢管混凝土桥、钢混组合桁架桥、钢混组合梁桥(混凝土桥面板加钢梁,亦被不太恰当地称之为叠合梁桥)、钢·混混合梁桥。考虑这些结构的结构性、经济性、可施工性,波形钢腹板PC桥亦属优选,宜大力发展。
 
 
参考文献:
1、王用中,陈宜言,《波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工》,人民交通出版社,2009
2、预应力混凝土技术协会,《组合桥设计施工规准》,技报堂出版,2005

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