波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁研究现状与关键问题

【前言】波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁研究现状与关键问题由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。(1) 抗震性能好，经济效益明显。 由于采用波形钢腹板来代替厚重的混凝土腹板，减轻了上部结构的自重，从而使上部和下部结构的工程量都得到较小，降低了工程总造价。当桥梁修建在软土地基或地震区时，由于上部结构自重的减轻，桥梁整体抗震性能得到明显改善。 (2) 结构...

摘 要：从实用角度出发，结合国内外波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的相关研究成果和设计经验，深入分析该桥型的特点，对这一结构的研究现状进行了系统的概括和总结，并指出了今后研究、设计和施工过程中需注意的关键性问题。

关键词：波形钢腹板；预应力混凝土；组合箱梁

中图分类号：TU37 文献标识码：A

一、引言

波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁主要是指采用波形钢腹板取代混凝土腹板，主要由混凝土顶底板、体外预应力筋和波形钢腹板部分组成，是在传统的体外预应力混凝土箱梁基础上的一种改进[1~5]，与预应力混凝土箱梁桥相比具有以下几个有点：

(1) 抗震性能好，经济效益明显。

由于采用波形钢腹板来代替厚重的混凝土腹板，减轻了上部结构的自重，从而使上部和下部结构的工程量都得到较小，降低了工程总造价。当桥梁修建在软土地基或地震区时，由于上部结构自重的减轻，桥梁整体抗震性能得到明显改善。

(2) 结构受力合理，材料的利用率较高。

在波形钢腹板预应力组合箱梁中混凝土均集中在顶、底板处，回转半径可以增加到最大值，从而极大提高了截面的结构效率：同时在结构受力时混凝土抗弯而钢材抗剪，弯矩由顶、底板承担，剪力由波形钢腹板承担，受力更加合理；由于波形钢腹板预应力组合箱梁采用体外预应力承受活载，即使在长期运营后体外预应力筋出现磨损或断裂时，依然可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换，以恢复承载力和进行结构加固。

(3) 施工简便且速度快。

梁体自重的减轻使得在采用悬臂法施工时减少了节段数量，可以大幅短缩工期；而悬臂法浇注时，波形钢腹板还可用作挂篮的组成部分，顶推施工时可以用波形钢腹板作为导梁，现浇时则可省略腹板模板，从而便于施工、避免浇筑高腹板混凝土时的困难，节省施工成本。

(4) 节能环保、造型美观。

作为钢—混组合结构，波形钢腹板的应用可节省桥梁混凝土用量、增大钢结构应用，符合节能环保的原则；且波形钢腹板颜色鲜艳，可增大桥梁的美感，亦可与周围环境融合，是城市道路、高速公路及景区道路较好的桥型选择。

波形钢板最早应用于船舶、集装箱的制造中。后来开始应用于民用建筑之中，20世纪80年代开始逐步应用于桥梁工程中。法国CB公司通过大量的理论分析和模型试验确认对箱梁的钢腹板抗剪、抗扭及稳定性方面进行深入研究后于1986年在法国建成了世界上第一座波形钢腹板组合箱梁桥。1988年，ACSI协会将波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁作为新型桥梁结构推介后，这种新型桥梁结构便很快得到各国桥梁工程师的关注并得到广泛应用。随着建成的波形钢腹板组合梁桥数量的不断增加，其施工技术也在不断完善成熟，从常见的满堂支架法、悬臂法施工已逐步发展到支梁法、项推法、斜吊—顶推法等，桥梁结构形式也由常规的简支梁、连续梁、连续刚构发展到脊骨梁桥、矮塔斜拉桥、斜拉桥、拱桥及悬索桥等多种桥型。

二、研究现状

不同于传统的混凝土腹板箱梁，由剪切屈曲强度控制的波形钢腹板是波形钢腹板箱梁中最具特点的构件，而波形钢腹板在桥梁工程中最初是应用于开口薄壁结构中，如工字钢梁。研究人员从研究工字钢梁的波形钢腹板的屈曲模式的研究开始，逐步研究波形钢腹板的抗剪性能、波形钢腹板工字梁、波形钢腹板预应力组合箱梁桥的剪力滞效应及桥面板有效宽度、抗弯、抗扭和疲劳性能及剪力连接键和体外预应力转向块构造。

（一） 波形钢腹板抗剪性能研究

在波形钢腹板梁中，波形钢腹板几乎承担了全部剪力。由于波纹钢板厚度很薄，平面外刚度较弱，在面内剪力的作用下，波形钢腹板通常会在强度破坏前发生屈曲破坏。从1981年开始，瑞典Chmmers技术大学钢木结构实验室先后对11根波形钢腹板钢梁进行了15组试验，发现剪跨比对波形钢腹板的剪切屈曲形态有较大影响[1]。Elgaaly等人[2]在对21根波形钢腹板钢梁进行的42组剪切屈曲试验的基础上，提出了屈曲系数的计算方法，并采用非线性有限元程序ABAQUS对试验进行了数值模拟，对荷载步、单元尺寸、初始缺陷的影响进行了分析讨论，为此后采用有限元法研究波形钢腹板的剪切屈曲奠定了基础。Robert等人[3]通过分析已有文献中的87个试验数据发现：按Elgaaly等人的计算方法，虽然整体上计算值与试验值吻合较好，但离散性很大，实际波形钢腹板结构几何缺陷具有不确定性，因而建议对波形钢腹板的名义屈曲强度进行限制。

宋建永等人[4]应用非线性有限元方法对波形钢腹板的剪切屈曲极限荷载和屈曲模态进行分析研究，采用一致缺陷模态法模拟波纹尺寸缺陷，钢板厚度缺陷则通过钢板厚度分布函数对单元厚度的修正来引入，结果表明过大的波纹尺寸缺陷会显著降低波形钢腹板的剪切屈曲极限荷载，而微小的厚度缺陷对波形钢腹板的剪切屈曲极限荷载影响很小。单成林等人[5]采用解析法及空间有限单元法研究波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥中腹板尺寸对钢腹板的剪切屈曲应力（临界荷载）及屈曲模态的影响，发现腹板高度及腹板折角度对腹板的剪切屈曲稳定和屈曲模态起关键性作用，不能简单的用腹板的高厚比来衡量屈曲应力的大小。

（二）波形钢腹板预应力组合箱梁桥的剪力滞效应及桥面板有效宽度研究

吴文清等人[6]应用模型试验、空间有限单元法和能量变分法理论对简支波形钢腹板组合箱梁的翼板剪力滞效应、截面正应变的平截面假定和弯曲变形等问题进行了深入分析，并讨论了箱梁结构体系、箱梁几何参数、荷载的横向作用位置以及混凝土材料的非线性特性等诸多因素对箱梁剪力滞效应的影响，确定了对单箱单室波形钢腹板组合箱梁剪滞效应的主要影响几何参数并建立了翼板有效宽度比的经验计算公式。

陈曦[7]采用有限单元法对波形钢腹板连续梁桥的剪力滞效应进行分析研究，研究曲率半径、宽跨比、宽高比、腹板间距、箱梁刚度比、扭弯刚度比、横隔板道数、箱梁截面型式及腹板波高等因素的影响，从理论上得到各种影响因素下剪力滞效应的变化趋势及分布规律。

方太云[8]研究了波形钢腹板箱梁桥面板有效分布宽度并推导了计算有效分布宽度的公式及波形钢腹板箱梁桥面板板跨跨中横向弯矩的估算公式。

（三） 波形钢腹板预应力组合箱梁抗弯性能研究

宋建永等人[9]将波形钢腹板经等效处理计入到梁的整体抗弯分析中，通过截面变形曲率沿纵向积分求解得到梁体变位，同时建立体外索与梁体变位的变形协调方程，通过反复迭代得到梁体在任意荷载下的变形和应力，在分析中考虑了材料非线性的影响，分析结果表明在分析梁抗弯性能时可不计波形钢腹板的影响。此外，宋建永等人还在对波形钢腹板的抗弯性能进行理论分析与试验验证的基础上，提出了受弯条件下波形钢腹板体外预应力组合梁全过程非线性分析的计算方法，该计算方法可以综合考虑不同加载方式、不同截面形式、不同转向和布索形式等因素的影响，并能计算从加载到破坏各个阶段内混凝上、钢筋及预应力索的应力和梁的挠度。

王福敏通过模型梁的荷载试验来研究波形钢腹板预应力组合箱梁抗弯性能[10]。为防止偏心加载时试验梁的整体转动，在试验梁左侧梁端设置了抗扭约束。试验中对跨中底板的应力、跨中挠度以及钢腹板的主应力进行了精确测量并观察了底板裂缝分布和梁破坏状态。试验结果表明，在对称荷载下，钢腹板的纵向应力较小，而钢腹板的剪应力要比混凝土顶板和底板的剪应力大很多；在偏心荷载作用下，靠近抗扭约束端的钢腹板应力明显比靠近无抗扭约束端的钢腹板大，且钢腹板承担了大部分扭转剪应力；模型试验梁的破坏发生在弹塑性过渡区，从跨中底板的裂缝分布的形态判断，试验梁的破坏形态为明显的弯曲破坏，在整个加载过程中，钢腹板未发生失稳现象，抗剪连接件部位也未发现裂缝，但极限承载力比理论计算值偏低。此模型试验的研究为建立波形钢腹板箱梁的抗弯极限承载力的计算公式提出了一定的参数。

（四） 波形钢腹板预应力组合箱梁抗扭性能研究

李宏江等人[11]以箱梁设计理论为基础，并结合波形钢腹板组合箱梁的结构特点，采用乌氏第二理论分析了这种结构在偏心荷载作用下的扭转性能及其计算方法；引入“钢腹板不承担面内弯矩”的假定并依据最小势能原理建立了波形钢腹板组合箱梁的畸变微分方程；采用弹性地基梁比拟法求解等高度波形钢腹板箱梁畸变微分方程，采用加权残数法求解变高度波形钢腹板箱梁畸变微分方程；分析了几何参数对波形钢腹板组合箱梁在偏载作用时的力学性能的影响，提出减小波形钢腹板箱梁翘曲正应力的具体工程措施，并给出了对应于不同波形钢腹板倾斜角度的横隔板最大间距经验公式，为工程设计提供了有益参考。

周绪红等人[12]采用试验和有限元模拟相结合的方法，研究波形钢腹板预应力组合箱梁的扭转性能，发现偏载引起的效应在整体效应中所占的比重较大，在计算过程中不可忽略；在偏心荷载作用下，波形钢腹板预应力混凝土箱梁产生扭转变形，钢腹板产生较大的扭转剪应力；箱梁的纵向弯曲和翘曲应力主要由混凝土顶板和底板承担，波形钢腹板基本上不起作用；箱梁底板由于畸变产生的横向应力很小，布置合适数量的横隔板能有效提高箱梁的抗扭刚度。

（五）波形钢腹板预应力组合箱梁剪力连接键及体外预应力转向块研究

李彦滨[13]通过试验和有限单元法研究了波纹钢腹板体外预应力箱梁横隔板、肋式和块式三种转向装置形式的构造、力学性能，并根据试验和数值模拟的分析结果，提出了三种转向装置的构造要点、设计理论和实用计算方法。

齐亮[14]则对栓钉、PBL和嵌入式这三类剪力连接键的受力性能进行有限元分析和试验研究，从连接件的受力特点、抗剪刚度、极限承载能力、疲劳性能、经济性及施工适用性六个方面对三种剪力连接件的特点进行分析比较。

贺君等人[15]采用混合单元建立波形钢腹板预应力混凝土组合简支箱梁空间有限元计算模型，研究体内、外混合配索结构的预应力参数，包括体内、外索的比例分配、张拉应力、锚固点位置以及转向装置的间距等对箱梁力学性能的影响。分析结果表明，跨中转向点之间各截面的正应力只与张拉应力有关，而锚固点至转向点区域各截面的正应力随预应力参数变化明显，建议采用合理比例的体内、外索混合配筋形式且张拉应力不宜小于标准抗拉强度的60％。

（六） 波形钢腹板预应力组合箱梁疲劳性能研究波纹

杨丽[16]采用有限元分析和试验相结合的方法对影响波形钢腹板组合箱梁腹板与下翼板焊缝处应力分布及S点应力集中系数的影响因素进行研究，发现波形钢腹板组合梁的几何参数对腹板与钢翼板连接焊缝处的应力分布均有所影响，其中腹板的倾斜角度的影响最为显著，并且腹板与下翼板焊缝处应力及S点应力集中系数随倾斜角度增大而增大；波形钢腹板预应力组合箱梁试验模型在疲劳荷载作用下，由重复荷载引起的附加挠度变形约为整个挠度的10％，应当引起足够的重视。

肖小艳[17]通过对波形钢腹板组合梁的基本力学特性、抗弯承载能力、高周期疲劳性能及疲劳损伤后的剩余抗弯承载能力和破坏形态进行了理论分析和试验研究，认为在计算疲劳损伤后体外预应力波形钢腹板组合箱梁的剩余抗弯承载能力时，可忽略疲劳损伤对普通钢筋和预应力钢筋的影响；控制疲劳寿命及影响剩余承载能力的关键因素在于波形钢腹板和顶板混凝土。同时，根据混凝土本构关系的特点，考虑疲劳损伤对混凝土弹性模量、变形模量、极限压应变和强度的影响，对损伤后的混凝土本构关系进行了分析和理论推导，得到了试验梁顶板混凝土疲劳损伤后的应力应变关系曲线。

三、结语与展望

波形钢腹板体外预应力箱梁利用波纹钢板代替传统箱梁的混凝土腹板，是国内外新兴的组合结构形式，具有自重轻、抗震性能好、预应力使用效率高、施工速度快和经济性能优越等优点，引起国内外专家学者的广泛关注并得到迅速发展。本文从实用性的角度出发，总结了国内外相关研究成果和设计经验，深入分析了该桥型的特点。今后在波形钢腹板组合箱梁桥的研究、设计和施工过程中应特别注意以下几个方面的问题：

(1) 重视波形钢腹板与混凝土上、下翼板间连接剪力键的设计和布置方式。波形钢腹板与混凝土上、下翼板之间连接剪力键工作的可靠性是组合梁整体工作的基础，是这类桥梁结构设计中最为关键的环节。

(2) 体外预应力筋的设计是该类桥梁结构设计中的另一关键环节。针对体外预应力与梁体变形不协调，需合理计算其伸长量以正确估计箱梁的抗弯能力。

(3) 在偏心荷载作用下，主梁截面将发生扭转变形，由于波形钢腹板的弯曲刚度远小于混凝土顶、底板，因此断面的扭转变形的影响将会增大，使混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力，需考虑扭转和翘曲引起的偏心效应和对挠度的影响。

(4) 由于波形钢腹板组合箱梁的剪力绝大部分是由很薄的波形钢板来承担，在试验及实际工程中均发现腹板剪切变形引起较大挠度的现象，因此应考虑剪切变形对挠度的影响。

参考文献：

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[8] 方太云，波纹钢腹板箱梁桥面板有效分布宽度及横向弯矩分析，硕士学位论文，东南大学，2002.

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[13] 李彦滨，波纹钢腹板体外预应力组合箱梁桥转向装置实验研究，硕士学位论文，哈尔滨工业大学，2006.

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[15] 贺君，刘玉擎，陈艾荣，波折钢腹板组合箱梁预应力体系研究，公路交通科技，2008，25(6): 65~70.

[16] 杨丽，波纹钢腹板组合箱梁疲劳性能研究，硕士学位论文，长安大学，2009.

[17] 肖小艳，波纹钢腹板组合箱梁承载能力及疲劳损伤分析，硕士学位论文，湖南大学，2009.