波形钢腹板PC组合箱梁桥施工问题探讨.pdf
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1、总651期2023年第21期(7月 下)0 引言波形钢腹板预应力混凝土(PC)组合箱梁是20世纪80年代出现的一种桥梁,该桥型以波形钢板为箱梁腹板,并使用波形钢腹板上下混凝土板抗剪连接件及体外预应力束。波形钢板即为折叠的钢板,其剪切屈曲强度明显提高,用于混凝土箱梁腹板后能满足腹板受力,并减小主梁自重和下部结构所承受的上部恒载,从而降低工程造价。同时,波形钢腹板还具有纵向自由伸缩的特征,能向混凝土桥面板施加有效预应力,提升预应力效率。施工期间,支架、模板搭设及混凝土浇筑工程量大幅减小,也基本省去了腹板处钢筋布设、管道预埋及模板设置等环节,有助于节省工期。由于波形钢腹板PC箱梁桥具有优良的受力性能
2、,社会效益和经济效益显著,故在国外已经取得了广泛应用,形式也从最早的简支梁发展成为当前的斜拉桥、连续钢构,截面也从等截面演变为变截面形式。我国该桥型仅得到初步应用,相关的理论研究和实践较少,本文依托具体工程,对波形钢腹板PC组合箱梁桥受力及施工展开分析,以期为该桥型在我国桥梁建造实践中的应用提供思路。1 工程概况某跨河大桥主桥跨径为 47 m+52 m+47 m,为双幅设计,横断面结构采用单箱三室波形钢腹板PC组合梁结构,箱梁顶板、底板宽16.85 m和11.85 m,翼缘悬臂长 2.5 m,梁高 3.2 m,顶底板厚度分别为 25 cm 和 22cm,箱梁中隔板处设置转向块,端横隔板处设置锚
3、固区。波形钢腹板倾斜角度为30,并在翼缘板连接处加厚处理。箱梁断面具体见图1。箱梁腹板波形板采用抗拉强度200 MPa、抗剪强度120 MPa的Q345C钢,根据剪切屈服前及极限荷载作用下剪切屈服均不发生等条件,并综合考虑桥梁横向刚度等因素展开波形钢腹板尺寸形状设计1。结合相关规范及桥梁实际,该大桥波形钢腹板设计波长1 200 mm、波高200 mm,直板段和斜板段水平长度分别为330 mm和270 mm,水平折叠角度36.5,钢板厚12 mm,内径200 mm,通过工厂模具预压成型。运输至施工现场后按照3 600 mm长度确定标准段长。波形钢腹板PC组合梁桥设计的关键在于波形板和混凝土顶底板
4、连接的可靠性2。该桥梁采用T-PB-L剪力件连接波形板与混凝土顶板,开孔钢板和翼缘板厚度均为14 mm,贯穿孔直径60 mm,间距150 mm,贯穿钢筋直径为20 mm;并通过M22栓钉连接波形板与混凝土底板。T-PB-L剪力件和栓钉剪力件结构具体见图2。图2 大桥抗剪连接件收稿日期:2013-04-15作者简介:郭建宝(1978),男,河北辛集人,工程师,从事公路工程管理工作。波形钢腹板PC组合箱梁桥施工问题探讨郭建宝(中建路桥集团有限公司,河北 石家庄 050090)摘要:以一单箱三室波形钢腹板PC组合梁桥为例,在概述桥梁结构、波形钢腹板设计及抗剪连接设计的基础上,分析了箱梁轴向变形、弯曲
5、、波形板局部屈曲、整体屈曲及合成屈曲稳定性、扭转等力学特性,并对箱梁桥施工要点展开分析探讨。分析结果表明,波形钢腹板PC组合箱梁桥在体外预应力束、波形板与上下混凝土板抗剪连接件等方面存在区别,这也是提高该桥型受力稳定性的关键所在。关键词:波形钢腹板;PC组合箱梁;结构受力中图分类号:U445.6文献标识码:B单位:cm图1 大桥箱梁断面164交通世界TRANSPOWORLD2 结构特征及受力分析结合该桥梁实际及相关研究成果,波形钢腹板预应力结合梁桥具有与传统正交异性板腹板结合梁桥类似的结构特征,但在上下翼缘板抗弯、剪应力下的屈曲等方面存在差异。2.1 波形钢腹板箱梁结合部波形钢腹板PC梁桥结合
6、部主要包括以下几处:波形钢腹板间的结合部、钢腹板和混凝土顶板及底板间的结合部、钢腹板与横隔板间的结合部、钢腹板和横隔梁板间的结合部、钢腹板和内衬混凝土的结合部。因受到预制工艺、运输条件及施工技术等的制约,波形钢腹板必须从纵桥向分隔成块,依次运输至施工现场后组拼。当前,常见的波形钢腹板连接方式包括焊接和高强螺栓连接两种,具体分成桩口焊接、贴角焊接,单面摩擦连接、双面摩擦连接、翼缘板单面摩擦连接等情况。波形钢腹板PC组合箱梁以钢腹板和混凝土顶底板结合部为共同工作基础,该结合部也起到抵御两者接触面间纵向剪力、避免两者相对滑移的作用;此外,结合部还主要发挥承担横向面外弯矩,使钢腹板和混凝土板形成共同承
7、受荷载的整体性结构等功能。故该结合部是波形钢腹板PC组合箱梁桥设计的关键所在。2.2 上下翼缘板抗弯波形钢腹板具有较强的轴向变形能力,其实际轴向弹性模量非常小,根据能量原理可以得出其有效弹性模量一般为钢板实际弹性模量的0.001倍,故波形板一般情况下不具备抗弯能力。见式(1):Ex=Es(t/h)2(1)式中:Ex为有效弹性模量;Es为钢板实际弹性模量;为波形钢腹板形状系数;t为波形钢腹板厚度;h为波形钢腹板高度。在设计过程中,基本忽略波纹板抗弯能力,所以梁体跨中总挠度仅为纯弯曲挠度和剪切变形挠度的叠加3。2.3 剪应力下的屈曲波纹钢腹板具备较好的抗剪屈曲能力,通过增大波纹波高还能经济、便捷地
8、提升其抗屈曲安全系数。根据试验验证,波纹板存在三种剪切屈曲模式:一是局部屈曲模式,也就是波纹板简支于两个弯折点后在均匀剪应力作用下的屈曲,其模式具备可逆转性。局部压屈应力表示如式(2):cr=E212(1-2)()tb2k(2)式中:cr为波形板局部剪切压屈应力;E为波形板弹性模量;为泊松比;b为斜板和取平板中的宽者;k为波形板长宽比及边界条件系数;其余参数含义同前。二是整体屈曲模式,与正交异性板整体屈曲类似。当波纹板高度较大时,出现横穿 1个或几个波纹屈曲(即总体屈曲)的可能性较大,则整体剪切压屈强度可根据John T.Easley公式得出公式(3):Ncr=36(EIy)1 4(EIx)3
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