波形钢腹板PC组合连续梁桥设计
1 波形钢腹板PC组合箱梁的特点
波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁结构是一种新型的钢—预应力混凝土组合结构(图1)。
图1 波形钢腹板箱梁
这种组合箱梁结构的特点是：占自重25％左右的腹板采用轻型波形钢板，大幅度减轻了箱梁的自重，使基础工程在内的下部结构减少，从而降低了材料用量和造价。由于不需要混凝土腹板，相应减少了钢筋和模板的拼装、拆除作业，缩短了工期。在结构上看，波形钢腹板PC组合箱梁充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的优点。
波形钢板最早应用在船舶、集装箱以及机翼地制造中，后来开始应用在民用建筑之中，瑞典早在二十世纪六十年代，就将冷轧波形钢板梁用于较大跨径的屋顶主梁。这种波形钢腹板因其在轴向为折叠状板，当受到轴向预压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几乎不受约束，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。用波形钢板代替平面钢腹板，不仅减轻了箱梁自重，而且也省去了设置纵横向加劲肋的繁杂工艺，钢板的加工更为便利。与混凝土腹板箱梁相比，仅有十几毫米厚的钢板所能承受的剪力对混凝土腹板来说，将达数十厘米厚，其重量仅为混凝土腹板的1/20左右，同时波形钢板具有很高的抗剪屈曲强度，抗剪的要求很容易满足。更为重要的是，波形钢腹板有效地解决了传统的预应力混凝土箱梁腹板易出现斜裂缝的问题。
波形钢腹板PC组合箱梁所具有的区别于一般PC箱梁的特点，主要表现在波形钢腹板、体外预应力束布置、波形钢板与上下混凝土板的结合，即抗剪连接件等几方面。近年来，我国展开了这种结构的力学性能、工程设计和施工方法等方面的研究梁桥。 2 结构设计
本桥为上海市中环高架道路上中路越江隧道～申江路济阳路立交SW匝道，为上海市第一座此类桥梁。该桥为两跨45＋45m等高预应力波形钢腹板PC组合连续箱梁桥。
截面形式为单箱多室，截面如图2~3,箱梁梁高2.5米，箱梁顶板宽为8.2m，顶板中间厚度为25cm，靠近腹板处加厚到47cm，通过半径为5m的圆曲线过渡；底板宽为3m，最小厚度为25cm，在支座附近加厚到37.5cm。
波形钢腹板采用Q345的钢板扎制而成，其中在跨中厚度为10mm，支座附近加厚到12mm，采用波折为250mm+200mm+250mm+200mm为一波的形式，波高150mm，腹板高度为2210mm，其构造如图3所示。
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，并已经建造了几座波形钢腹板PC组合箱
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(a) 跨中断面
(b) 梁端断面
图2 波形钢腹板PC组合箱梁标准断面图
图3 波形钢腹板截面图
图4 顶板锚钉形式抗剪连接件
图5 底板穿孔形式抗剪连接件
波形钢板埋入式抗剪连接件的抗剪能力由混凝土齿键与混凝土抗剪销共同提供，其中上缘混凝土与波形钢腹板之间的剪力键采用钢板上缘焊接翼缘板，在翼缘上焊接锚钉的如同叠合梁形式的剪
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力键，如图4；下缘混凝土与波形钢腹板之间的剪力键采用波形钢腹板伸入混凝土内，在钢板上打孔，孔内穿钢筋的PBL形式的剪力键，如图5。
计算得到单位长度波形钢腹板纵向最大剪力为1030kN/m。设计顶板剪力键为φ22的栓钉，横向三排，间距为0.1m，计算得到单个栓钉的计算单位纵向抗剪强度为153.3kN,单位长度的纵向抗剪能力为1437kN/m，满足承载力要求。设计底板剪力键（PBL形式）容许剪力计算设计下缘为开φ20的孔，孔中穿φ18的钢筋，孔间距为0.1m。单个孔与筋剪力键的计算单位纵向抗剪强度为117.3kN,单位长度的纵向剪力为1173kN/m，满足承载力要求。
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图6 横隔板布置图
横隔板采用钢筋混凝土形式，其中梁端横隔板厚度为2m，中支点横隔板厚度为1.5m，转向块上横隔板厚度为25cm，其它横隔板厚度为20cm，单跨内横隔板间距为6m+6m+9m+6m+6m+ 7.5m。
图7 预应力布置
预应力形式为体内体外预应力形式相结合的方式，如图7，其中体内预应力布置为2根15-9的顶板通长束，4根15-9的底板通长束以及6根15-9的底板端束；体外预应力布置为4根15-12的通长束，分别在第3块横隔板下的转向块转向并锚固于端横隔板上。 3 结构计算
设计考虑的汽车荷载为城－B级，采用的施工方法为满堂支架施工。考虑施工阶段为：①成桥；②张拉体外预应力；③上二期；④成桥10年这四个阶段。由于该类桥梁结构的特殊性，设计采用通用有限元法和Midas软件计算相结合进行计算。采用两计算方法的模型如图8～9。
其中Midas计算模型采用梁单元模拟，采用其自带的波形钢腹板截面模拟，在圆弧倒角处采用折线处理，全桥共划分60个单元。其中预应力采用体内体外预应力分别模拟。
图8 通用有限元计算模型（1/2模型）
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(a) 立面图
(b) 俯视图 图9 Midas计算模型
通用有限元模型采用梁、板及实体单元模拟，其中混凝土顶底板采用实体单元模拟，波形钢腹板采用板壳单元模拟，预应力采用梁单元模拟，全桥共划分45328个实体单元，3684个板单元，256个梁单元。预应力作用采用降温处理。
计算得到采用Midas计算软件计算结果全桥成桥阶段为全截面受压，上缘最大压应力为13.45MPa，下缘最大压应力为13.84MPa。采用通用有限元计算软件得到的计算结果亦为全截面受压，压应力略大。理论方法、Midas的梁单元模型，通用有限元软件的三维空间模型，这些方法计算得到的结果比较见表1~表3。表中，应力单位为MPa，比值为理论方法或Midas计算得到的应力值与ANSYS方法计算得到的应力值得到的百分比。由表中数据可以得到，这些方法得到的计算结果变化趋势非常相近，且具体数据也比较接近。
表1 自重作用下各个计算方法的应力比较 计算方法 应力(MPa) 压应力 上缘 拉应力 压应力 下缘 拉应力 6.44 89.3 6.59 91.4 7.21 4.88 8.99 80.1 76.3 5.18 9.33 85.1 79.2 6.09 11.78 理论方法 计算值 比值 2.78 81.8 [6][6]
Midas ANSYS 计算值 比值 2.99 87.9 3.40 表2 二期恒载作用下各个计算方法的应力比较 计算方法 应力(MPa) 压应力 上缘 拉应力 压应力 下缘 拉应力 5.08 112.6 4.82 106.9 4.51 4.88 7.09 137.9 94.7 3.67 6.77 103.7 90.4 3.54 7.49 理论方法 计算值 2.78 比值 118.3 [6]Midas ANSYS 计算值 2.18 比值 92.8 2.35 表3 预应力作用下各个计算方法应力比较 计算方法 应力(MPa) 压应力 上缘 拉应力 压应力 下缘 拉应力 6.31 88.5 6.21 87.1 7.13 - 24.22 - 100.7 - 22.1 - 91.9 - 24.06 理论方法 计算值 15.48 比值 122.4 [6]Midas ANSYS 计算值 13.76 比值 108.8 12.65
由以上的分析可以得到，理论方法、Midas分析软件以及ANSYS的三维实体有限元均可运用到
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波形钢腹板PC组合箱梁的总体分析中；只是，理论方法非常简单，但只适用于比较简单的结构形式与预应力布束；而ANSYS可以适用任意结构形式及预应力布束，但比较费时；Midas软件则比较灵活，有自带波形钢腹板箱梁的截面，也有很强的预应力束输入功能，计算分析相对简单、有效。所以本文建议利用Midas软件来进行波形钢腹板PC组合箱梁的总体分析，可以得到相对准确的计算结果，但可以利用理论方法及ANSYS的三维实体有限元方法来作校核。 4 结 语
与过去的结构相比，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁恰当地利用了钢与混凝土的优点，提高了结构的稳定性、强度及材料的使用效率，且这种结构外形美观，抗震性能好，具有广阔的应用前景。波形钢腹板PC组合箱梁在我国桥梁工程中才刚刚开始，本桥的建造为今后波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计和施工提供了宝贵的经验，对于该类型桥梁结构在上海地区和其它城市高架设计中的应用将会起到积极的促进作用。
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