创造性地应用波形钢腹板预应力混凝土桥.docx
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1、创造性地应用 波形钢腹板预应力混凝土桥【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
2、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
3、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+11120+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+
4、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950+950+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
5、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+3138+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
6、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
7、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。表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
8、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
9、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:架设波形钢腹板工字梁现浇墩上块挂模浇筑混凝土底板安装预制顶板桥面系施工。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。图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
10、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950+950+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。波形钢腹板组合箱梁桥是一种以波形钢板取代了混凝土腹板的钢-混组合结构桥梁型式,具有自重轻、便于装配施工、造价低、耐久性好和全寿命期经济效益高、低碳节能等众多优
11、点,是一种符合可持续发展理念的新型桥梁结构型式,在我国有着广泛的适宜性。2012年国内首部波形钢腹板组合梁桥规范河南地标公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁设计规范(以下简称河南地标)发布。在工程经验进一步积累、技术研究日趋完善的基础上,由深圳市市政设计研究院有限公司历时三年编制的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DB44 /T 1393-2014于2014年发布和实施,涵盖设计、施工、质量管理等多方面的内容,达到国内领先水平。本文针对广东地标波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程DB44 /T 1393-2014(以下简称广东地标)的编制背景、关键技术进行系统阐述
12、。编制背景波形钢腹板组合梁桥发展概况波形钢腹板组合梁桥起源于法国,兴于日本。经过二十多年的发展,日本目前已是世界上此类桥梁建设最多的国家,已建和在建数量超300座,其中包括世界上第一座波形钢腹板组合梁斜拉桥矢作川斜拉桥,以及第一座波形钢腹板组合梁矮塔斜拉桥日见梦桥。我国波形钢腹板组合梁桥虽然引入较晚,但近几年的发展和应用也有了长足的进步。而随着工程经验的积累和设计技术的进步,国内波形钢腹板组合梁已开始向大跨、复杂桥型发展。例如在建的珠海前山河大桥跨径组合90m+160m+90m、深圳东宝河新安大桥跨径组合88m+156m+88m,均居世界前列;南昌朝阳大桥主桥与郑州朝阳沟大桥则为部分斜拉桥,跨
13、径组合分别为79m+5150m+79m、58m+118m+188m+108m,技术难度前所未有。这些桥的建成将标志我国波形钢腹板组合梁桥达到较高的水平。波形钢腹板组合梁桥的优点波形钢腹板组合梁桥被国内外桥梁工程师亲睐,并得以大量推广源于其自身的技术优点。首先力学性能方面:自重轻,结构抗震性能优越,间接作用效应不明显,预应力使用效率高,能充分利用钢、混凝土两种材料的各自优点。耐久性方面:可避免传统混凝土箱梁桥腹板开裂问题,体外预应力筋便于拆换和维修。经济效益方面:施工周期短质量高,建设期一次性投资低。产业导向方面:可减少碳排放量和砂石开采量,钢材可循环利用。广东地标编制的必要性基于波形钢腹板组合
14、梁桥上述的优点和国内迅速发展的现状,制定用于广东省乃至全国波形钢腹板组合梁桥设计、施工、质量管理的技术标准势在必行。因此2011年波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥设计与施工规程列入了广东省质量监督局的标准制定计划。近三年的时间,深圳市市政设计研究院有限公司在广泛调查研究、总结国内外工程经验及技术成果、结合自身工程设计和咨询经验、提炼自身的科研成果、咨询省内外知名专家意见的基础上,经过编写征求意见稿、征求意见、讨论和处理返回的意见、形成送审稿、形成报批稿等严格的流程,最终完成了广东地标的编制,并于2014年8月顺利发布,2014年11月正式实施。波形钢腹板组合梁桥混凝土构件的计算依据公路钢筋混凝
15、土及预应力混凝土桥涵设计规范进行,广东地标在基本设计规定一章中作了明确说明,而较之传统PC梁桥和钢桥最大的不同是,波形钢腹板和连接件的计算,这两部分内容也是广东地标区别其他标准的关键技术内容。波形钢腹板的抗剪计算波形钢腹板属于组合结构桥梁中的钢构件,计算主要是稳定、强度和挠度三个方面。对于普通的钢结构构件,目前可供参考的国内规范是钢结构设计规范GB50017- 2004和公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ 025-86。前者为国家标准,采用极限状态设计方法,用于建筑结构;后者为公路行业标准,发布年代较早,采用容许应力设计方法,用于公路桥梁设计。需要说明的是,JTJ 025-86采用的容许应力
16、法不符合工程结构可靠性设计统一标准和公路工程结构可靠度设计统一标准,已严重滞后。用于指导公路波形钢腹板组合梁桥设计的河南地标采用了极限状态法,顺应了设计规范发展趋势。日本波形钢腹板PC箱梁桥设计计算手册(以下简称日本规范)关于波形钢腹板的抗剪计算,则分别按极限荷载与设计荷载进行,前者相当于国内规范承载能力极限状态设计,后者相当于国内规范正常使用极限状态设计。表1为以上各规范关于钢构件的设计方法和内容。广东地标在总则中便规定“本标准采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,按分项系数的设计表达式进行设计”,因此波形钢腹板的剪切屈曲和抗剪强度均按极限状态方法设计。但是考虑与老规范JTJ 025-86
17、协调统一,同时与日本规范的设计荷载计算对应,又补充了波形钢腹板正常使用极限状态下的剪切应力计算规定,这是广东地标在设计内容上与国内钢结构设计规范、河南地标不同的地方。后两部规范只要求进行承载能力极限状态下的强度、稳定计算和正常使用极限状态下的挠度计算。图1为广东地标关于波形钢腹板抗剪设计的方法和内容,图中可以看出波形钢腹板抗剪计算的极限状态方法,在内容上与日本规范和JTJ 025-86做到了很好的统一。材料参数方面,承载能力极限状态采用强度设计值,这是以概率理论为基础的极限状态设计方法的要旨,这点国内钢结构设计规范、河南地标与广东地标都是一致的。此外广东地标正常使用极限状态下波形钢腹板的剪切应
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