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创造性地应用 波形钢腹板预应力混凝土桥
发布时间:2015/3/16 11:35:01    发布人:dajianpp

/王用中 杨国栋 郭理学


 

【编者按】波形钢腹板组合箱梁桥,是一种以波形钢板取代混凝土腹板的钢—混组合结构桥梁形式。世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥诞生在法国,后来各国都相继建造了此类型的桥梁。近年来,日本桥梁界以减少自重,减少现场工作量,降低成本为目标,为追求桥梁结构的合理性做了很多尝试,而波形钢腹板桥就是其中之一。而在我国,这种桥更应该得到关注,因为它经济、高效、自重轻、耐久性好、钢材用量少,同时具有施工方便,工期短、低碳节能等众多优点,是一种符合可持续发展理念的新型桥梁结构形式,在我国倡导绿色建设的环境下,有着广泛的发展空间。为此,本期杂志特约了一组稿件,以期引起业内对此类桥型的深入了解与讨论。

 

图1 南昌朝阳大桥施工挂篮

    用波形钢腹板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板,即形成波形钢腹板预应力混凝土箱梁,故两者外形很相似。因波形钢腹板褶皱效应,波形钢腹板预应力混凝土箱梁纵向弯曲时,波形钢腹板不参与纵向受力,仅由混凝土顶底板承载纵向弯曲正应力,其工作机理与设计理论与一般预应力混凝土箱梁极其相似。因这两个相似,自2008年山东鄄城黄河桥建成至今,波形钢腹板预应力混凝土桥已为我国桥梁界所接收并取得迅速发展。如今已建和在建的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥总数已超过40座,且有不少引起业界注意的世界性创新。表1列出了中国、日本几座具有代表性的波形钢腹板预应力混凝土桥。总体说,我国波形钢腹板预应力混凝土桥开始应用比日本晚了十年,然其建设步伐十分迅速,取得的成就已超越日本;其箱梁的技术研究已由大学实验室走向建设工地,成为有规范依据的成熟技术。


 

突出成就


 

    日本波形钢腹板预应力混凝土桥应用始于第二名神高速公路的建设,此后作为推荐桥型在高速公路中推广应用。其建设长度最大的桥梁是宫家岛高架桥,总长达1432m。我国2008年建成的山东鄄城黄河桥主桥70+11×120+70m的波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁总长已达1460m。在建的南昌朝阳赣江桥主桥、副桥均采用了波形钢腹板预应力混凝土桥,建设总长已达1610m,超过了日本这类桥长的纪录。在建的郑州朝阳沟水库特大桥,主桥为58+118+188+108m波形钢腹板预应力混凝土部分斜拉桥,为目前中国最大跨波形钢腹板预应力混凝土桥,其部分斜拉桥的主跨跨度已超过日本同类桥型的日见梦大桥。合肥的南淝河95+153+95m波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥,在我国首次大规模地采用了Q355NH焊接用耐候钢,为耐候钢的应用开启了先例。郑州市常庄水库9×50+9×50+45m波形钢腹板预应力混凝土顶推箱梁的施工,开创了充分利用波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥良好可施工性的先河。

    波形钢腹板预应力混凝土箱梁源自传统的预应力混凝土箱梁,其突出改变在于用波形钢腹板取代了预应力混凝土腹板。预应力混凝土腹板有开裂问题,波形钢腹板则没有腹板开裂问题。这对大规模应用预应力混凝土连续梁(刚构)的我国桥梁可谓福音。因为这类桥的两大病害:腹板开裂、跨中持续下垂,均可借助波形钢腹板的应用从根本上解决。

    广东虎门大桥辅航道150+270+150m跨预应力混凝土连续刚构为我国最大跨预应力混凝土连续梁桥,重庆石板坡大桥86.5+3×138+330+104.5m跨钢混组合连续梁为我国最大跨钢混混合梁桥。这两个跨度纪录都能借助波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁达到,且较前者可避免腹板开裂问题,较后者可避免复杂的钢混接头问题。这方面应该是大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的发展方向。


 

 图2 10号墩大桩侧顶板顶面高程监控情况


 



深化其力学性能研究


 

    波形钢腹板预应力混凝土桥设计计算的假定为:

1.纵向弯曲计算仅考虑混凝土顶底板承受轴向力,且弯曲平面假定成立;

2.纵向弯曲时剪力全部由波形钢腹板承担,且剪应力在腹板中作均匀分布。

依据这两条假定,波形钢腹板预应力混凝土箱梁总体、预应力设计可类同一般预应力混凝土箱梁,设定恒载由体内索承担,活载由体外索承担。波形钢腹板可仿钢箱梁腹板进行剪切强度验算,其剪切屈曲稳定性则按波形钢腹板剪切屈曲稳定作特殊计算。

对这两条计算假定的研究论证,是我国各高等院校科研机构关于波形钢腹板预应力混凝土箱梁受力性能研究的重点,已做了大量的工作。这几年结合波形钢腹板预应力混凝土桥的建设,特别是大跨度预应力混凝土桥的施工监控,工程界亦对此做了大量工作。图2为鄄城黄河桥10号墩波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁施工挠度实测曲线。由图可知,施工与理论挠度曲线吻合得很好。其他大桥的施工监控结果亦大抵如此。工程实践证明了计算理论的正确性。

    2为广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土桥设计施工规准》(DB44/T 1393),编制工作中对中日两国波形钢腹板预应力混凝土梁设计可靠度做的对比。

此对比概括性地表现了我国对波形钢腹板预应力混凝土梁受力性能研究的深度。

    关于波形钢腹板剪切屈曲稳定性,是这一桥型力学性能研究的热门研究课题。广东省地方标准《波形钢腹板预应力混凝土桥设计施工规准》(DB44/T 1393)关于这一计算的规定应该是近年来这一研究成果的归纳。

    波形钢腹板预应力混凝土顶底板与波形钢腹板的连接形式、受力机理、计算方法,亦是波形钢腹板预应力混凝土桥力学性能研究的重要内容。表3列出了常用的连接方式及其工作机理。

    这几年结合工程我们亦对此做了大量工作,郑州桃花峪黄河桥有专题研究报告。表4更用具体数字比较了各种连接方式的经济性。栓钉连接为我国组合梁桥最常用的连接方式,郑州朝阳沟水库特大桥,波形钢腹板与混凝土顶底板均采用了栓钉连接方式,应属这一结构关键部位中国式的结构创新。

 图3 广州市鱼窝头立交匝道桥

 图4 预制式装配波形钢腹板PC组合箱梁

图5 郑州市常庄水库桥顶推施工

充分发挥其良好的可施工性


 

    波形钢腹板与其上下翼缘板在施工过程中,可形成波形钢腹板工字行钢梁,用作施工承重。借此日本于波形钢腹板预应力混凝土桥施工中形成了一系列工法。我国广州市鱼窝头立交匝道桥为波形钢腹板预应力混凝土小半径弯桥。为省略施工支架,施工中即利用波形钢腹板工字钢梁作临时承重,形成如下施工步骤:

①架设波形钢腹板工字梁→②现浇墩上块→③挂模浇筑混凝土底板→④安装预制顶板→⑤桥面系施工。

    这为波形钢腹板预应力混凝土城市高架桥无支架施工树立了样板。

    4所示为河南省交通设计院,为便利高速公路桥梁快速预制装配施工所设计的3060m系列波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁横断面。其断面由预制波形钢腹板先张预应力混凝土工字梁。

    以预制波形钢腹板先张预应力混凝土工字梁为承重结构挂模现浇的混凝土顶底板组成。其预制、吊装均类似桥梁工程中惯用的预应力混凝土T梁。其经济指标则较常用的预应力混凝土T梁更好(表5)。


 

    波形钢腹板预应力混凝土箱梁良好的可施工性,还体现于波形钢腹板工字钢梁可作顶推用施工导梁(图5)。郑州市常庄水库9×50+9×50+45m波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁即仿此作了50m一节段的逐孔顶推施工,效果很好。

    中国是钢铁大国、桥梁大国,应该发展桥梁钢混结构。波形钢腹板预应力混凝土箱梁,属于钢混组合桥中结构受力最近似我们惯用的一般预应力混凝土箱梁,且性价比优、可施工性好,宜予推广应用。



 

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