創(chuàng)造性地應(yīng)用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋

創(chuàng)造性地應(yīng)用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋【編者按】波形鋼腹板組合箱梁橋，是一種以波形鋼板取代混凝土腹板的鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁形式。世界上第一座波形鋼腹板組合箱梁橋誕生在法國，后來各國都相繼建造了此類型的橋梁。近年來，日本橋梁界以減少自重，減少現(xiàn)場工作量，降低成本為目標(biāo)，為追求橋梁結(jié)構(gòu)的合理性做了很多嘗試，而波形鋼腹板橋就是其中之一。而在我國，這種橋更應(yīng)該得到關(guān)注，因為它經(jīng)濟、高效、自重輕、耐久性好、鋼材用量少，同時具有施工方便，工期短、低碳節(jié)能等眾多優(yōu)點，是一種符合可持續(xù)發(fā)展理念的新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，在我國倡導(dǎo)綠色建設(shè)的環(huán)境下，有著廣泛的發(fā)展空間。為此，本期雜志特約了一組稿件，以期引起業(yè)內(nèi)對此類橋型的深入了解與討論。圖1南昌朝陽大橋施工掛籃用波形鋼腹板取代預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土腹板，即形成波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，故兩者外形很相似。因波形鋼腹板褶皺效應(yīng)，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁縱向彎曲時，波形鋼腹板不參與縱向受力，僅由混凝土頂?shù)装宄休d縱向彎曲正應(yīng)力，其工作機理與設(shè)計理論與一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁極其相似。因這兩個相似，自2008年山東鄄城黃河橋建成至今，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋已為我國橋梁界所接收并取得迅速發(fā)展。如今已建和在建的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋總數(shù)已超過40座，且有不少引起業(yè)界注意的世界性創(chuàng)新。表1列出了中國、日本幾座具有代表性的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋?？傮w說，我國波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋開始應(yīng)用比日本晚了十年，然其建設(shè)步伐十分迅速，取得的成就已超越日本；其箱梁的技術(shù)研究已由大學(xué)實驗室走向建設(shè)工地，成為有規(guī)范依據(jù)的成熟技術(shù)。突出成就日本波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋應(yīng)用始于第二名神高速公路的建設(shè)，此后作為推薦橋型在高速公路中推廣應(yīng)用。其建設(shè)長度最大的橋梁是宮家島高架橋，總長達1432m。我國2008年建成的山東鄄城黃河橋主橋70+11×120+70m的波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁總長已達1460m。在建的南昌朝陽贛江橋主橋、副橋均采用了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋，建設(shè)總長已達1610m，超過了日本這類橋長的紀(jì)錄。在建的鄭州朝陽溝水庫特大橋，主橋為58+118+188+108m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，為目前中國最大跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋，其部分斜拉橋的主跨跨度已超過日本同類橋型的日見夢大橋。合肥的南淝河95+153+95m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，在我國首次大規(guī)模地采用了Q355NH焊接用耐候鋼，為耐候鋼的應(yīng)用開啟了先例。鄭州市常莊水庫9×50+9×50+45m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土頂推箱梁的施工，開創(chuàng)了充分利用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋良好可施工性的先河。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁源自傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其突出改變在于用波形鋼腹板取代了預(yù)應(yīng)力混凝土腹板。預(yù)應(yīng)力混凝土腹板有開裂問題，波形鋼腹板則沒有腹板開裂問題。這對大規(guī)模應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁（剛構(gòu)）的我國橋梁可謂福音。因為這類橋的兩大病害：腹板開裂、跨中持續(xù)下垂，均可借助波形鋼腹板的應(yīng)用從根本上解決。廣東虎門大橋輔航道150+270+150m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)為我國最大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，重慶石板坡大橋86.5+3×138+330+104.5m跨鋼混組合連續(xù)梁為我國最大跨鋼混混合梁橋。這兩個跨度紀(jì)錄都能借助波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁達到，且較前者可避免腹板開裂問題，較后者可避免復(fù)雜的鋼混接頭問題。這方面應(yīng)該是大跨度波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的發(fā)展方向。圖210號墩大樁側(cè)頂板頂面高程監(jiān)控情況深化其力學(xué)性能研究波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計計算的假定為：1.縱向彎曲計算僅考慮混凝土頂?shù)装宄惺茌S向力，且彎曲平面假定成立；2.縱向彎曲時剪力全部由波形鋼腹板承擔(dān)，且剪應(yīng)力在腹板中作均勻分布。依據(jù)這兩條假定，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁總體、預(yù)應(yīng)力設(shè)計可類同一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，設(shè)定恒載由體內(nèi)索承擔(dān)，活載由體外索承擔(dān)。波形鋼腹板可仿鋼箱梁腹板進行剪切強度驗算，其剪切屈曲穩(wěn)定性則按波形鋼腹板剪切屈曲穩(wěn)定作特殊計算。對這兩條計算假定的研究論證，是我國各高等院校科研機構(gòu)關(guān)于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁受力性能研究的重點,已做了大量的工作。這幾年結(jié)合波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋的建設(shè),特別是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋的施工監(jiān)控,工程界亦對此做了大量工作。圖2為鄄城黃河橋10號墩波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁施工撓度實測曲線。由圖可知,施工與理論撓度曲線吻合得很好。其他大橋的施工監(jiān)控結(jié)果亦大抵如此。工程實踐證明了計算理論的正確性。表2為廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計施工規(guī)準(zhǔn)》（DB44/T1393），編制工作中對中日兩國波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計可靠度做的對比。此對比概括性地表現(xiàn)了我國對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力性能研究的深度。關(guān)于波形鋼腹板剪切屈曲穩(wěn)定性，是這一橋型力學(xué)性能研究的熱門研究課題。廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計施工規(guī)準(zhǔn)》（DB44/T1393）關(guān)于這一計算的規(guī)定應(yīng)該是近年來這一研究成果的歸納。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板的連接形式、受力機理、計算方法，亦是波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋力學(xué)性能研究的重要內(nèi)容。表3列出了常用的連接方式及其工作機理。這幾年結(jié)合工程我們亦對此做了大量工作，鄭州桃花峪黃河橋有專題研究報告。表4更用具體數(shù)字比較了各種連接方式的經(jīng)濟性。栓釘連接為我國組合梁橋最常用的連接方式，鄭州朝陽溝水庫特大橋，波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装寰捎昧怂ㄡ斶B接方式，應(yīng)屬這一結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位中國式的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。圖3廣州市魚窩頭立交匝道橋圖4預(yù)制式裝配波形鋼腹板PC組合箱梁圖5鄭州市常莊水庫橋頂推施工充分發(fā)揮其良好的可施工性波形鋼腹板與其上下翼緣板在施工過程中，可形成波形鋼腹板工字行鋼梁，用作施工承重。借此日本于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋施工中形成了一系列工法。我國廣州市魚窩頭立交匝道橋為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土小半徑彎橋。為省略施工支架，施工中即利用波形鋼腹板工字鋼梁作臨時承重，形成如下施工步驟：①架設(shè)波形鋼腹板工字梁→②現(xiàn)澆墩上塊→③掛模澆筑混凝土底板→④安裝預(yù)制頂板→⑤橋面系施工。這為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土城市高架橋無支架施工樹立了樣板。圖4所示為河南省交通設(shè)計院，為便利高速公路橋梁快速預(yù)制裝配施工所設(shè)計的30～60m系列波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橫斷面。其斷面由預(yù)制波形鋼腹板先張預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁。以預(yù)制波形鋼腹板先張預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁為承重結(jié)構(gòu)掛?，F(xiàn)澆的混凝土頂?shù)装褰M成。其預(yù)制、吊裝均類似橋梁工程中慣用的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。其經(jīng)濟指標(biāo)則較常用的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁更好（表5）。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁良好的可施工性，還體現(xiàn)于波形鋼腹板工字鋼梁可作頂推用施工導(dǎo)梁（圖5）。鄭州市常莊水庫9×50+9×50+45m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁即仿此作了50m一節(jié)段的逐孔頂推施工，效果很好。中國是鋼鐵大國、橋梁大國，應(yīng)該發(fā)展橋梁鋼混結(jié)構(gòu)。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，屬于鋼混組合橋中結(jié)構(gòu)受力最近似我們慣用的一般預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，且性價比優(yōu)、可施工性好，宜予推廣應(yīng)用。波形鋼腹板組合箱梁橋是一種以波形鋼板取代了混凝土腹板的鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁型式，具有自重輕、便于裝配施工、造價低、耐久性好和全壽命期經(jīng)濟效益高、低碳節(jié)能等眾多優(yōu)點，是一種符合可持續(xù)發(fā)展理念的新型橋梁結(jié)構(gòu)型式，在我國有著廣泛的適宜性。2012年國內(nèi)首部波形鋼腹板組合梁橋規(guī)范——河南地標(biāo)《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱河南地標(biāo))發(fā)布。在工程經(jīng)驗進一步積累、技術(shù)研究日趨完善的基礎(chǔ)上，由深圳市市政設(shè)計研究院有限公司歷時三年編制的廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計與施工規(guī)程》DB44/T1393-2014于2014年發(fā)布和實施，涵蓋設(shè)計、施工、質(zhì)量管理等多方面的內(nèi)容，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文針對廣東地標(biāo)《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計與施工規(guī)程》DB44/T1393-2014（以下簡稱廣東地標(biāo)）的編制背景、關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)闡述。編制背景波形鋼腹板組合梁橋發(fā)展概況波形鋼腹板組合梁橋起源于法國，興于日本。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，日本目前已是世界上此類橋梁建設(shè)最多的國家，已建和在建數(shù)量超300座，其中包括世界上第一座波形鋼腹板組合梁斜拉橋——矢作川斜拉橋，以及第一座波形鋼腹板組合梁矮塔斜拉橋——日見夢橋。我國波形鋼腹板組合梁橋雖然引入較晚，但近幾年的發(fā)展和應(yīng)用也有了長足的進步。而隨著工程經(jīng)驗的積累和設(shè)計技術(shù)的進步，國內(nèi)波形鋼腹板組合梁已開始向大跨、復(fù)雜橋型發(fā)展。例如在建的珠海前山河大橋跨徑組合90m+160m+90m、深圳東寶河新安大橋跨徑組合88m+156m+88m，均居世界前列；南昌朝陽大橋主橋與鄭州朝陽溝大橋則為部分斜拉橋，跨徑組合分別為79m+5×150m+79m、58m+118m+188m+108m，技術(shù)難度前所未有。這些橋的建成將標(biāo)志我國波形鋼腹板組合梁橋達到較高的水平。波形鋼腹板組合梁橋的優(yōu)點波形鋼腹板組合梁橋被國內(nèi)外橋梁工程師親睞，并得以大量推廣源于其自身的技術(shù)優(yōu)點。首先力學(xué)性能方面：自重輕，結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)越，間接作用效應(yīng)不明顯，預(yù)應(yīng)力使用效率高，能充分利用鋼、混凝土兩種材料的各自優(yōu)點。耐久性方面：可避免傳統(tǒng)混凝土箱梁橋腹板開裂問題，體外預(yù)應(yīng)力筋便于拆換和維修。經(jīng)濟效益方面：施工周期短質(zhì)量高，建設(shè)期一次性投資低。產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向方面：可減少碳排放量和砂石開采量，鋼材可循環(huán)利用。廣東地標(biāo)編制的必要性基于波形鋼腹板組合梁橋上述的優(yōu)點和國內(nèi)迅速發(fā)展的現(xiàn)狀，制定用于廣東省乃至全國波形鋼腹板組合梁橋設(shè)計、施工、質(zhì)量管理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。因此2011年《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋設(shè)計與施工規(guī)程》列入了廣東省質(zhì)量監(jiān)督局的標(biāo)準(zhǔn)制定計劃。近三年的時間，深圳市市政設(shè)計研究院有限公司在廣泛調(diào)查研究、總結(jié)國內(nèi)外工程經(jīng)驗及技術(shù)成果、結(jié)合自身工程設(shè)計和咨詢經(jīng)驗、提煉自身的科研成果、咨詢省內(nèi)外知名專家意見的基礎(chǔ)上，經(jīng)過編寫征求意見稿、征求意見、討論和處理返回的意見、形成送審稿、形成報批稿等嚴(yán)格的流程，最終完成了廣東地標(biāo)的編制，并于2014年8月順利發(fā)布，2014年11月正式實施。波形鋼腹板組合梁橋混凝土構(gòu)件的計算依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》進行，廣東地標(biāo)在基本設(shè)計規(guī)定一章中作了明確說明，而較之傳統(tǒng)PC梁橋和鋼橋最大的不同是，波形鋼腹板和連接件的計算，這兩部分內(nèi)容也是廣東地標(biāo)區(qū)別其他標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。波形鋼腹板的抗剪計算波形鋼腹板屬于組合結(jié)構(gòu)橋梁中的鋼構(gòu)件，計算主要是穩(wěn)定、強度和撓度三個方面。對于普通的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，目前可供參考的國內(nèi)規(guī)范是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2004和《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》JTJ025-86。前者為國家標(biāo)準(zhǔn)，采用極限狀態(tài)設(shè)計方法，用于建筑結(jié)構(gòu)；后者為公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布年代較早，采用容許應(yīng)力設(shè)計方法，用于公路橋梁設(shè)計。需要說明的是，JTJ025-86采用的容許應(yīng)力法不符合《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，已嚴(yán)重滯后。用于指導(dǎo)公路波形鋼腹板組合梁橋設(shè)計的河南地標(biāo)采用了極限狀態(tài)法，順應(yīng)了設(shè)計規(guī)范發(fā)展趨勢。日本《波形鋼腹板PC箱梁橋設(shè)計計算手冊》(以下簡稱日本規(guī)范)關(guān)于波形鋼腹板的抗剪計算，則分別按極限荷載與設(shè)計荷載進行，前者相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，后者相當(dāng)于國內(nèi)規(guī)范正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。表1為以上各規(guī)范關(guān)于鋼構(gòu)件的設(shè)計方法和內(nèi)容。廣東地標(biāo)在總則中便規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計”，因此波形鋼腹板的剪切屈曲和抗剪強度均按極限狀態(tài)方法設(shè)計。但是考慮與老規(guī)范JTJ025-86協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時與日本規(guī)范的設(shè)計荷載計算對應(yīng)，又補充了波形鋼腹板正常使用極限狀態(tài)下的剪切應(yīng)力計算規(guī)定，這是廣東地標(biāo)在設(shè)計內(nèi)容上與國內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、河南地標(biāo)不同的地方。后兩部規(guī)范只要求進行承載能力極限狀態(tài)下的強度、穩(wěn)定計算和正常使用極限狀態(tài)下的撓度計算。圖1為廣東地標(biāo)關(guān)于波形鋼腹板抗剪設(shè)計的方法和內(nèi)容，圖中可以看出波形鋼腹板抗剪計算的極限狀態(tài)方法，在內(nèi)容上與日本規(guī)范和JTJ025-86做到了很好的統(tǒng)一。材料參數(shù)方面，承載能力極限狀態(tài)采用強度設(shè)計值，這是以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法的要旨，這點國內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、河南地標(biāo)與廣東地標(biāo)都是一致的。此外廣東地標(biāo)正常使用極限狀態(tài)下波形鋼腹板的剪切應(yīng)力計算采用鋼板屈服強度，同時考慮0.625倍的系數(shù)，該系數(shù)旨在與老規(guī)范JTJ025-86可靠性上保持一致?？煽啃砸恢碌囊罁?jù)是，廣東地標(biāo)關(guān)于波形鋼腹板剪切應(yīng)力計算采用標(biāo)準(zhǔn)組合，該組合與JTJ025-86的組合1相當(dāng)，而JTJ025-86鋼材考慮1.6倍安全系數(shù)后的容許應(yīng)力與廣東地標(biāo)相等。至于日本規(guī)范，規(guī)范體系不同，其極限荷載下的計算采用鋼腹板屈服強度，而設(shè)計荷載計算則采用容許應(yīng)力。表2為廣東地標(biāo)、河南地標(biāo)、日本規(guī)范關(guān)于波形鋼腹板抗剪計算時，采用的荷載組合和材料參數(shù)對比表格，表中可看出廣東地標(biāo)與日本規(guī)范在波形鋼腹板抗剪計算的內(nèi)容上存在一一對應(yīng)關(guān)系。圖1廣東地標(biāo)波形鋼腹板抗剪計算內(nèi)容圖示廣東地標(biāo)中波形鋼腹板剪切應(yīng)力、剪切屈曲臨界應(yīng)力計算公式與日本規(guī)范所使用的公式完全一致,但二者使用的荷載組合與材料參數(shù)不同。而表3中的對比表明,廣東地標(biāo)與日本規(guī)范在波形鋼腹板抗剪計算方面可靠性基本相當(dāng)。連接件的抗剪計算連接件的抗剪計算既是廣東地標(biāo)編制過程中的難點也是關(guān)鍵點。相關(guān)計算公式參考了日本文獻和我院編寫的《波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計與施工》，但仍采用國內(nèi)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，包括承載能力極限狀態(tài)下的抗剪強度計算和正常使用極限狀態(tài)下的混凝土壓應(yīng)力計算、連接件抗滑移計算。日本規(guī)范和中國規(guī)范關(guān)于荷載組合、材料參數(shù)有很大不同，把日本規(guī)范里可借鑒的公式、計算規(guī)定“中國化”，存在很大的技術(shù)難度。但標(biāo)準(zhǔn)編制組經(jīng)過長時間的研究和咨詢調(diào)查，采用公式和材料參數(shù)轉(zhuǎn)換的方法,解決了中日兩種不同規(guī)范體系的差異問題，同時可保證廣東地標(biāo)連接件計算公式的安全可靠性不低于日本規(guī)范。圖2表示了廣東地標(biāo)中連接件抗剪計算規(guī)定的由來和轉(zhuǎn)換過程。表4為廣東地標(biāo)和日本規(guī)范關(guān)于連接件抗剪計算的內(nèi)容對比。表中可看出與日本規(guī)范相比，廣東地標(biāo)仍有待完善的地方，其中埋入式剪力銷與角鋼連接混凝土限于當(dāng)時的工程經(jīng)驗和研究成果，廣東地標(biāo)未有正常使用極限狀態(tài)的計算規(guī)定，待深入研究后在標(biāo)準(zhǔn)修訂版中補充。而角鋼連接的焊縫計算，國內(nèi)其他相關(guān)規(guī)范已有較成熟的規(guī)定，廣東地標(biāo)不再提供計算公式。圖2連接件的極限狀態(tài)設(shè)計材料參數(shù)方面，廣東地標(biāo)按照國內(nèi)規(guī)范的規(guī)定和習(xí)慣，承載力計算使用強度設(shè)計值，正常使用計算則采用強度標(biāo)準(zhǔn)值，與日本規(guī)范的對比如表5。表6為廣東地標(biāo)與日本規(guī)范關(guān)于連接件承載能力抗剪計算可靠性方面的對比算例，其結(jié)果表明，廣東地標(biāo)的可靠性要高于日本規(guī)范。但連接件的正常使用極限狀態(tài)計算，由于日本規(guī)范的設(shè)計荷載組合與國內(nèi)公路規(guī)范的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合一致，且相關(guān)材料參數(shù)按一定系數(shù)轉(zhuǎn)換后與日本規(guī)范相等，因此可靠性完全一致。波形鋼腹板剪切屈曲臨界應(yīng)力的計算波形鋼腹板剪切屈曲存在三種形式：局部屈曲、整體屈曲、組合屈曲。局部屈曲為波形內(nèi)局部折板段的受剪屈曲，其屈曲形式和計算理論和平鋼板的剪切屈曲完全相同；整體屈曲為整個腹板的剪切屈曲，計算理論復(fù)雜；組合屈曲則為局部屈曲和整體屈曲兩種形式的復(fù)合而成（圖3）。三種屈曲中，控制設(shè)計的為組合屈曲，因此廣東地標(biāo)僅要求對組合屈曲進行驗算，但組合屈曲臨界應(yīng)力由局部屈曲臨界應(yīng)力和整體屈曲臨界應(yīng)力的相關(guān)方程計算得到，計算過程如圖4。圖3波形鋼腹板的屈曲示意圖圖4波形鋼腹板剪切屈曲計算流程圖對于剪切屈曲臨界應(yīng)力的計算，剪切屈曲的研究計算也已經(jīng)很成熟。出于經(jīng)濟性考慮，廣東地標(biāo)容許波形鋼板的剪切屈曲強度處于非彈性域，因此考慮了材料的彈塑性。這點河南地標(biāo)不同，其偏保守地要求波形鋼板剪切屈曲強度處于屈服域。廣東地標(biāo)是目前關(guān)于波形鋼腹板組合梁橋設(shè)計施工相對完善的技術(shù)指導(dǎo)文件，其發(fā)布和實施必將推動廣東省乃至全國波形鋼腹板組合梁橋的發(fā)展。波形鋼腹板組合箱梁作為一種特殊的組合結(jié)構(gòu)橋梁，仍然存在著一些技術(shù)問題，尚未形成可供廣大工程師使用的技術(shù)規(guī)定，如箱梁翼緣有效寬度計算與橫隔板間距設(shè)置等，這些問題的解決將會更加助力該類橋梁的推廣和應(yīng)用。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁既能克服鋼橋和混凝土橋梁的弱點，又能發(fā)揮各自優(yōu)點。國外研究統(tǒng)計表明：其在跨徑30～110m范圍內(nèi)具有競爭力，在60～80m跨徑范圍內(nèi)有明顯優(yōu)勢。歐美等國跨徑15m以下的橋梁多采用鋼筋混凝土梁橋，15～25m跨徑采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，25～60m跨徑常采用鋼-混組合梁橋。波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋（以下簡稱波形鋼腹板PC箱梁橋）是用波形鋼板代替混凝土腹板形成的一種組合結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)混凝土箱梁相比，波形鋼腹板PC箱梁自重減輕15%～25%，充分發(fā)揮了鋼-混組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在我國已有多座波形鋼腹板PC箱梁橋建成通車。但目前30～60m跨徑的波形鋼腹板PC箱梁橋，主要采用現(xiàn)澆的形式，影響了其經(jīng)濟性和推廣使用。因此，波形鋼腹板PC梁橋預(yù)制裝配化是需要解決的關(guān)鍵問題。預(yù)制裝配化是指采用工業(yè)化生產(chǎn)方式的技術(shù)，選用合理的可裝配式結(jié)構(gòu)體系，基于模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，在工廠按工業(yè)化產(chǎn)品模式完成預(yù)制，再將其運輸?shù)浆F(xiàn)場，經(jīng)機械化裝配后形成滿足預(yù)定功能要求的工程結(jié)構(gòu)。利用波形鋼腹板PC箱梁結(jié)構(gòu)特點，通過采用橫向預(yù)制拼裝技術(shù)，可實現(xiàn)中等跨徑波形鋼腹板PC梁橋的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工廠化生產(chǎn)，裝配化施工。橫向預(yù)制拼裝波形鋼腹板PC箱梁技術(shù)方案將波形鋼腹板PC箱梁截面先“化整為零”為兩個波形鋼腹板PC工字梁單元，再將預(yù)制的兩兩波形鋼腹板PC工字梁單元通過濕接縫橫向連接，“化零為整”拼裝，形成波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁（圖1）。具體實現(xiàn)流程為：工廠化預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁→架設(shè)波形鋼腹板PC工字梁→澆筑頂、底板混凝土濕接縫形成組合箱梁（或僅澆筑頂板濕接縫）→澆筑各跨間的墩頂橫梁→張拉墩頂負(fù)彎矩鋼筋或體外預(yù)應(yīng)力鋼筋形成連續(xù)箱梁（圖2）。圖1波形鋼腹板PC工字梁橫向連接形成箱梁圖2現(xiàn)澆混凝土橫梁形成連續(xù)箱梁技術(shù)特點1.工廠化預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁，施工質(zhì)量容易控制；橋梁上下部結(jié)構(gòu)可以平行作業(yè)，加快了施工進度。2.波形鋼腹板PC梁橋的二期恒載和活載由形成的箱梁承擔(dān)，預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁，僅承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和施工荷載，故每片預(yù)制的工字梁截面尺寸可減小，安裝重量減輕，相應(yīng)增大了應(yīng)用跨徑。3.具有獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁除采用后張法預(yù)應(yīng)力體系，根據(jù)預(yù)制梁的規(guī)模和場地條件，還可采用生產(chǎn)效率高、耐久性好、造價省的先張法體系。斷面組成以單幅橋?qū)?2.75m為例，40m以上跨徑采用圖3所示的波形鋼腹板PC箱梁布置形式，40m以下采用圖4所示波形鋼腹板組合T梁布置形式。圖3橫向預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁斷面布置圖4橫向預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合T梁斷面布置簡支轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)各跨波形鋼腹板PC箱梁采用先簡支后連續(xù)方式形成連續(xù)箱梁。在墩頂中橫梁澆筑完成后，墩頂負(fù)彎矩可采用墩頂設(shè)置負(fù)彎矩鋼筋或張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法來抵抗（圖2）。預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁截面設(shè)計波形鋼腹板PC工字梁因腹板重量減輕,改變了混凝土梁相對鋼橋自重過大的缺點,使30～60m成為經(jīng)濟適用跨徑。與混凝土T梁相比，波形鋼腹板PC工字梁預(yù)制構(gòu)件尺寸可加大,相應(yīng)地減少主梁片數(shù)。以12.75m橋?qū)挒槔?30m、40m和50m跨徑混凝土T梁需6片,而對應(yīng)的波形鋼腹板PC工字梁只需4片,且單片工字梁吊裝重量小于混凝土T梁(見表1)。在凈空不受限制的地區(qū)，波形鋼腹板PC工字梁還可適當(dāng)增加梁高，以提高材料使用效率。在保持混凝土數(shù)量基本不增加的情況下，波形鋼腹板高度增加1.2倍，則波形鋼腹板PC箱梁截面抗彎強度可提高約2倍。所以應(yīng)用到運輸條件不受限制的特大型橋梁的引橋，其適用范圍還可以擴展到60m以上跨徑。波形鋼腹板波形鋼腹板常用的Q345抗剪設(shè)計強度為180MPa，約是混凝土抗剪設(shè)計強度的100倍，可以有效解決混凝土箱梁腹板開裂等問題。波形鋼腹板的形狀尺寸是按照剪切屈服前不發(fā)生剪切屈曲、極限荷載作用時不發(fā)生剪切屈曲兩個條件設(shè)計的，同時考慮橋梁橫向剛度等綜合因素。2011年5月，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布了《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS290：2011），國內(nèi)已有多條建筑用波紋腹板自動化生產(chǎn)線投入生產(chǎn)?？鐝?0m以下的波形鋼腹板PC工字梁，其波形鋼腹板為等高度、厚度20mm以下，可利用建筑波紋腹板自動化生產(chǎn)線來加工，以降低波形鋼腹板生產(chǎn)成本。由于采用混合型抗剪連接件（本文內(nèi)有詳述），翼緣板與波形鋼腹板采用自動焊接，加工完成的波形鋼腹板運到預(yù)制廠以后，節(jié)段間采用高強螺栓連接，保證了在施工現(xiàn)場沒有焊接作業(yè)。通過采取以上措施，簡化了施工工藝，有效保證了施工質(zhì)量，大幅降低了生產(chǎn)成本。橫梁、橫隔板波形鋼腹板PC工字梁的端橫梁不僅能起到橫向擴散荷載作用，還起到穩(wěn)定及傳遞預(yù)應(yīng)力荷載的作用?？缰性O(shè)置3道橫隔板，主要起連接各工字梁共同受力和滿足工字梁在預(yù)制階段承壓后的穩(wěn)定性。當(dāng)配置體外預(yù)應(yīng)力時，橫隔板還起到轉(zhuǎn)向塊的作用。預(yù)應(yīng)力體系由于波形鋼腹板表觀模量很小，故不承受軸向力，不抵抗正彎矩，預(yù)應(yīng)力能有效地施加在混凝土頂、底板上，有效提高了預(yù)應(yīng)力鋼材的效率。50m以上跨徑，采用體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力混合體系；50m以下跨徑不需設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力，僅設(shè)置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和墩頂負(fù)彎矩鋼筋。波形鋼腹板工字梁除設(shè)計后張法體系外，還設(shè)計了先張法體系供選擇采用。連接件1.常用的連接件形式波形鋼腹板與混凝土頂、底板的結(jié)合部構(gòu)造直接關(guān)系到橋梁承載能力，是波形鋼腹板梁的最關(guān)鍵部位。結(jié)合部構(gòu)造需能抵抗結(jié)構(gòu)中鋼材和混凝土材料兩者間的水平剪切力，確保組合結(jié)構(gòu)受力時，兩種不同材料之間不會產(chǎn)生相對位移。波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接方式主要有嵌入型和翼緣型兩種形式（圖5）。嵌入型和翼緣型連接件各有特點：嵌入型連接件構(gòu)造施工簡單，焊接工作量小，抗疲勞性能好，用鋼量省，經(jīng)濟性好。為了防止水的浸入造成腐蝕，在波形板和混凝土的連接面要進行密封處理，同時要采用在波形鋼板的空隙間填充橡膠以防止混凝土漏出。翼緣型連接件的抗剪切承載力高，連接部分剛度大，但用鋼量增加，焊縫多，構(gòu)造和施工相對復(fù)雜。2.設(shè)計采用的連接件形式波形鋼腹板與混凝土底板的連接采用嵌入型連接件（圖5a）。波形鋼腹板與混凝土頂板的連接設(shè)計了一種混合型連接件，其構(gòu)造是在嵌入型連接件的基礎(chǔ)上，在與混凝土頂板的結(jié)合面位置上，縱向采用焊接兩塊翼緣板（圖6）。該種連接件兼具嵌入型連接件和翼緣型連接件的優(yōu)點，連接部位的剛度提高，能滿足混凝土頂板承受和傳遞車輛荷載的作用，具有便于施工，耐久性好的特點。其次這種混合型連接件比雙PBL連接件能節(jié)省30%的鋼材，按連接件用鋼量占波形鋼腹板用鋼量的20%計，通過采用這種混合型連接件，波形鋼腹板用鋼量能降低5%以上。圖5連接件形式圖6與頂板連接采用混合型連接件技術(shù)指標(biāo)跨徑30m、40m、50m相應(yīng)的每平方米橋梁上部材料用量指標(biāo)（不含護欄和鋪裝）見表2～4。對比波形鋼腹板PC箱梁橋統(tǒng)計指標(biāo)（圖7）可知，用鋼量