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[摘 要]本文以某工程为例，分析波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板连续梁桥试设计研究，其承载能力极限状态与受力计算结果表明：试设计桥梁能满足设计要求，新型结构用波形钢腹板代替钢管腹杆具有应用前景。总结了传统的波形钢腹板PaC箱梁存在的底板问题，考虑用受压性能优越的钢管混凝土弦杆替代混凝土底板。
[关键词]波形钢腹板；双管弦杆；组合箱梁；试设计
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0214-03
前言
波形钢腹板PC组合箱梁桥较传统PC箱梁桥，不但减轻了主梁自重，改善了施工性能，而且提高了预应力效率，降低了工程造价。然而，传统的波形钢腹板在浇筑混凝土底板时需搭设脚手架支撑模板，现场施工难度较大，同时腹板与底板结合部浇筑空间有限，难以保证混凝土浇筑质量；另外，在正弯矩作用下，混凝土底板容易过早开裂，从而降低结构刚度及承载力，影响结构耐久性。鉴于传统的波形钢腹板PC箱梁存在的底板问题，考虑用受压性能优越的钢管混凝土弦杆替代混凝土底板。
在20世纪90年代，法国就已将这种思路运用于工程实践中。法国的Maupre高架桥采用钢管混凝土为下弦杆，通过波形钢腹板与混凝土桥面板上弦形成整体。该桥以钢管混凝土为下弦杆，充分利用钢材和混凝土各自的优势，但单根管的倒三角形结构自身稳定性差，下弦单管可操作空间有限，另外其不太适用于跨径大或桥面宽的桥梁。
受Maupre桥主梁构造启发，设计人员提出了新型组合结构--波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁。它由混凝土板上弦、哑铃形钢管混凝土下弦，通过波形钢腹板连接组成，如图1所示。结构受力上，一方面，组合梁在连续梁跨中正弯矩处可利用混凝土顶板抗压强度大的特点来承受压应力，利用下弦钢管抗拉性能好的优势承受拉应力；另一方面，在支座处可由施加了预应力的混凝土顶板和抗压强度高的钢管混凝土下弦杆共同承受负弯矩的作用。同时，组合梁可利用波形钢腹板承担剪力作用，进而提高预应力的效率。因此，该文进行该新型波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁试设计，新型结构应用于实际桥梁工程的可能性。
一、波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合连续梁试设计
1、工程概况
大桥全桥共36跨，分三联设计，其中第三联跨径布置为45.1+4×44.5+45.1=268.2 m。大桥主梁采用钢腹a杆-单圆管-混凝土板组合梁形式，分左、右幅设计，每幅桥均由混凝土顶癮濉⒏止芑炷料孪遥⑼ü止芨垢肆有纬傻谷切谓峁埂V髁焊？40cm，顶板为厚20 cm的预应力混凝土结构（C50钢纤维混凝土），在腹杆节点处横向设置混凝土肋，顶板加厚至40CITI。钢管混凝土下弦杆管径为813mm，内填C60混凝土。钢管腹杆直径为406 mm，下弦及腹杆管厚根据不同位置受力情况而变化。钢管材料采用Q345，主梁标准断面见（图2）。
2、设计桥总体布置及主梁结构尺寸
1）总体布置
取大桥第三联单幅桁梁进行试设计，跨径布置为45.1+4×44.5-45.1m。试设计主梁是由混凝土顶板（C50混凝土）、波形钢腹板及双管弦杆（管内填C60混凝土）组成的空间箱形结构，将原桥的单圆管截面的钢管混凝土下弦改为哑铃形截面，用波形钢腹板代替原桥的钢管腹杆。
在试设计总体布置与原桥一致，并采用原设计的设计参数及技术指标。试设计桥面宽度按原桥取为12.25 m，截面高度4.4 m，顶板厚度200mm，钢管混凝土下弦钢管外径为530mm，壁厚为16mm，哑铃形腹腔两钢板净距为268mm，板厚为16mm钢管、波形腹板等材料均采用Q345钢。试设计的主梁结构图如（图3）所示。
2）波形钢腹板
波形钢腹板类型的选择应综合考虑受力性能的要求并兼顾施工运输等条件限制。当跨径超过90m时，多选用剪切屈曲强度较大的1600型波形钢腹板，小跨径或运输条件受限的工程则多选1200型与1000型。试设计连续梁最大跨度为45. 1m，在满足受力性能要求的情况下，兼顾波形钢腹板与下弦钢管焊接施工的难易，确定波形钢腹板为1200型的Q345钢板，根据不同位置腹板厚度共有16，14，12，10 mm4种。
3、波形钢腹板与顶板连接构造
在试设计中波形钢腹板与顶板的连接采用角钢剪力件连接形式，每延米布置4个连接件，配置间距为250mm，剪力件布置形式如图4所示。这种连接方式在焊接于钢腹板端部的翼缘板上焊角钢，各焊接角钢间通过贯穿钢筋增强联系。采用角钢剪力件，可利用角钢和U形钢筋承担剪力，横桥向弯矩则由角钢、贯穿钢筋和U形钢筋共同承担。
4、横隔板及支座构造
结合已有的波形钢腹板PC箱梁桥实例，试设计中除了在支座位置处设置端横隔板外，还应设置中横隔板。针对新型组合梁，可考虑在组合梁的腹板内侧及钢管混凝土下弦杆上设置剪力件，而后一次性浇筑横隔板混凝土，使横隔板与主梁共同受力。试设计中，两侧波形钢腹板上设置Twin-PBL连接件，下弦杆内连接钢板上设置S-PBL+栓钉连接件，主梁通过连接件与混凝土横隔板形成整体，如图5所示。
在试设计中，钢管下弦与桥墩处支座设计参照原设计进行（图6），在支座设置处下弦钢管下方焊接若干弧形钢片，并与梁底钢板焊接形成支座上座。
5、主梁施工方案
1）完成桩基、墩台施工，并于加工厂进行主梁钢结构部分的节段加工，通过预拼后，拆卸成节段运至现场；2）从岸端逐孔前移主梁钢骨架过孔并落梁就位，完成各跨下弦与波形钢腹板的节段拼接；3）完成管内混凝土的灌注；4）绑扎顶板钢筋，分段完成桥面棍凝土的浇筑，并在相应节段混凝土达到强度要求后分批张拉相应的体内预应力钢束；5）利用施工好的济面板交替重复前三步直至完成主梁施工，拆除支架和模板，完成主梁主体工程施工。 二、设计计算分析
1、有限元模型
波形钢腹板纵向刚度非常小，几乎没有承受轴向力与纵桥向弯曲的能力，故在构件刚度计算中可忽略波形钢腹板，仅考虑混凝土顶板和哑铃形钢管混凝土下弦对刚度的贡献。
在采用程序对试设计桥梁进行计算分析时，利用上述截面计算得到的截面特性值，建立杆系模型。在建模之前，首先将中性轴以下的哑铃形钢管混凝土下弦杆换算为混凝土底板，并保证组合截面的抗弯刚度、截面中性轴的位置及组合梁自重不变。根据结构特点，将结构简化为空间杆系结构进行计算。
2、结构验算
1）主梁验算
连续梁桥的跨中截面和支座截面为设计的控制截面，尤其是内支座截面受到较大负弯矩，桥面板承受较大的拉应力。参照JTGD62-2004《公路桥涵设计通用规范》对主梁进行验算，主梁的承载力、应力和挠度均满足要求。表1列出了35#支座截面的验算结果。
2）波形钢腹板验算
波形钢腹板的验算主要根据DB41/T 643-2010《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》进行，验算内容包括：在承载能力极限状态下，波形钢腹板的剪应力应控制在容许剪应力下，同时还应进行波形钢腹板的屈曲验算，包括局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲的验算。
计算中忽略主梁顶板及下弦杆承担的剪力，假定作用于主梁的剪力全部由波形钢腹板承担。计算结果表明：承载能力极限状态下，各截面波形钢腹板的剪应力均在容许范围内。
波形钢腹板的屈曲验算用安全系数表示，即波形钢腹板屈曲临界应力与承载能力极限荷载作用下波形钢腹板剪应力的比值。比值大于1时，波形钢腹板屈曲验算通过，满足设计要求。（图7）为波形钢腹板局部屈曲验算结果。
3）连接件验算
在试设计中，波形钢腹板与桥面板通过角钢剪力件连接以保证结构在正常使用期间不产生剪切位移进行验算。在承载能力极限状态下，控制截面<35#支座处）顶板剪力件抗剪承载力验算结果如表2所示，角钢剪力件抗剪承载力安全系数大于1。
波形钢腹板组合箱梁较-般钢-混凝土组合梁腹板的面外刚度大，故有必要对连接处与桥轴成垂直方向的弯矩进行验算。连接件横向验算如表3所示，连接件横向抗弯承载力安全系数大于1。
三、试设计桥与其他钢-混凝土组合梁的比较
1、与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁的比较
为更进一步了解波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁桥的结构特点，与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁进行比较。（表3）列出了试设计与原设计主梁相关工程数量。可以看出，与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁原设计相比，试设计主梁混凝土用量减少7%，钢材用量基本持平。原桥采用管结构，腹杆布置及施工方法决定了腹杆节点处横向混凝土肋的设置，这不仅增加了混凝土用量，同时在一定程度上增加了模板搭设的复杂性，不利于缩短施工工期。
就两组合结构施工性能而言，钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁施工架设方便，加工容易，但需保证各组装部件的下料精度，否则会增大组装应力，新型组合梁的波形钢腹板折迭效应使拼装条件获得很大改进，方便了腹板的装配，但波形钢腹板刚度较小，容易产生面外变形。
2、与波形钢腹板混凝土箱梁的比较
传统波形钢腹板混凝土箱梁存在底板易开裂、底板结合部施工质量难保证等间题。相对于传统的波形钢腹板组合箱梁，波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合箱梁主要优点有：
1）用钢管混凝土下弦杆代替混凝土底板，下翼缘钢管置于外侧，受力合理，一方面充分发挥钢材良好的抗拉性能，防止主梁正弯矩区底板过早开裂，避免了结构刚度和承载力的下降，同时保证了结构的耐久性；另一方面下弦钢管为管内混凝土提供约束，提高抗压性能，更好地承担负弯矩作用。
2）新型组合梁充分发挥钢材轻质高强的特点，钢管混凝土的使用，进一步减轻了上部结构自重，从而也降低下部结构的工程造价。
3）波形钢腹板与下弦管直接采用焊接连接，构造简单，取消腹板与混凝土底板连接件的设置，避免了结合部混凝土浇筑振捣难度较大的问题。
4）钢管下弦杆的运用减少了混凝土作业量，同时无需搭设混凝土底板模板，可缩短施工工期。
四、结束语
波形钢腹板桥与传统的预应力混凝土箱形梁桥相比可减轻主梁自重，提高预应力效率，节约工期、降低工程造价。科学研究及工程实践已充分证明了这种组合结构的合理性和经济性，其应用具有广泛的前景。
参考文献
[1] JT/T 784—2010组合结构桥梁用波形钢腹板[S].
[2] JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].
[3] JTG B01—2003 公路工程技术标准[S].
[4] JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[关键词]波形钢腹板；双管弦杆；组合箱梁；试设计
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0214-03
前言
波形钢腹板PC组合箱梁桥较传统PC箱梁桥，不但减轻了主梁自重，改善了施工性能，而且提高了预应力效率，降低了工程造价。然而，传统的波形钢腹板在浇筑混凝土底板时需搭设脚手架支撑模板，现场施工难度较大，同时腹板与底板结合部浇筑空间有限，难以保证混凝土浇筑质量；另外，在正弯矩作用下，混凝土底板容易过早开裂，从而降低结构刚度及承载力，影响结构耐久性。鉴于传统的波形钢腹板PC箱梁存在的底板问题，考虑用受压性能优越的钢管混凝土弦杆替代混凝土底板。
在20世纪90年代，法国就已将这种思路运用于工程实践中。法国的Maupre高架桥采用钢管混凝土为下弦杆，通过波形钢腹板与混凝土桥面板上弦形成整体。该桥以钢管混凝土为下弦杆，充分利用钢材和混凝土各自的优势，但单根管的倒三角形结构自身稳定性差，下弦单管可操作空间有限，另外其不太适用于跨径大或桥面宽的桥梁。
受Maupre桥主梁构造启发，设计人员提出了新型组合结构--波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁。它由混凝土板上弦、哑铃形钢管混凝土下弦，通过波形钢腹板连接组成，如图1所示。结构受力上，一方面，组合梁在连续梁跨中正弯矩处可利用混凝土顶板抗压强度大的特点来承受压应力，利用下弦钢管抗拉性能好的优势承受拉应力；另一方面，在支座处可由施加了预应力的混凝土顶板和抗压强度高的钢管混凝土下弦杆共同承受负弯矩的作用。同时，组合梁可利用波形钢腹板承担剪力作用，进而提高预应力的效率。因此，该文进行该新型波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁试设计，新型结构应用于实际桥梁工程的可能性。
一、波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合连续梁试设计
1、工程概况
大桥全桥共36跨，分三联设计，其中第三联跨径布置为45.1+4×44.5+45.1=268.2 m。大桥主梁采用钢腹a杆-单圆管-混凝土板组合梁形式，分左、右幅设计，每幅桥均由混凝土顶癮濉⒏止芑炷料孪遥⑼ü止芨垢肆有纬傻谷切谓峁埂V髁焊？40cm，顶板为厚20 cm的预应力混凝土结构（C50钢纤维混凝土），在腹杆节点处横向设置混凝土肋，顶板加厚至40CITI。钢管混凝土下弦杆管径为813mm，内填C60混凝土。钢管腹杆直径为406 mm，下弦及腹杆管厚根据不同位置受力情况而变化。钢管材料采用Q345，主梁标准断面见（图2）。
2、设计桥总体布置及主梁结构尺寸
1）总体布置
取大桥第三联单幅桁梁进行试设计，跨径布置为45.1+4×44.5-45.1m。试设计主梁是由混凝土顶板（C50混凝土）、波形钢腹板及双管弦杆（管内填C60混凝土）组成的空间箱形结构，将原桥的单圆管截面的钢管混凝土下弦改为哑铃形截面，用波形钢腹板代替原桥的钢管腹杆。
在试设计总体布置与原桥一致，并采用原设计的设计参数及技术指标。试设计桥面宽度按原桥取为12.25 m，截面高度4.4 m，顶板厚度200mm，钢管混凝土下弦钢管外径为530mm，壁厚为16mm，哑铃形腹腔两钢板净距为268mm，板厚为16mm钢管、波形腹板等材料均采用Q345钢。试设计的主梁结构图如（图3）所示。
2）波形钢腹板
波形钢腹板类型的选择应综合考虑受力性能的要求并兼顾施工运输等条件限制。当跨径超过90m时，多选用剪切屈曲强度较大的1600型波形钢腹板，小跨径或运输条件受限的工程则多选1200型与1000型。试设计连续梁最大跨度为45. 1m，在满足受力性能要求的情况下，兼顾波形钢腹板与下弦钢管焊接施工的难易，确定波形钢腹板为1200型的Q345钢板，根据不同位置腹板厚度共有16，14，12，10 mm4种。
3、波形钢腹板与顶板连接构造
在试设计中波形钢腹板与顶板的连接采用角钢剪力件连接形式，每延米布置4个连接件，配置间距为250mm，剪力件布置形式如图4所示。这种连接方式在焊接于钢腹板端部的翼缘板上焊角钢，各焊接角钢间通过贯穿钢筋增强联系。采用角钢剪力件，可利用角钢和U形钢筋承担剪力，横桥向弯矩则由角钢、贯穿钢筋和U形钢筋共同承担。
4、横隔板及支座构造
结合已有的波形钢腹板PC箱梁桥实例，试设计中除了在支座位置处设置端横隔板外，还应设置中横隔板。针对新型组合梁，可考虑在组合梁的腹板内侧及钢管混凝土下弦杆上设置剪力件，而后一次性浇筑横隔板混凝土，使横隔板与主梁共同受力。试设计中，两侧波形钢腹板上设置Twin-PBL连接件，下弦杆内连接钢板上设置S-PBL+栓钉连接件，主梁通过连接件与混凝土横隔板形成整体，如图5所示。
在试设计中，钢管下弦与桥墩处支座设计参照原设计进行（图6），在支座设置处下弦钢管下方焊接若干弧形钢片，并与梁底钢板焊接形成支座上座。
5、主梁施工方案
1）完成桩基、墩台施工，并于加工厂进行主梁钢结构部分的节段加工，通过预拼后，拆卸成节段运至现场；2）从岸端逐孔前移主梁钢骨架过孔并落梁就位，完成各跨下弦与波形钢腹板的节段拼接；3）完成管内混凝土的灌注；4）绑扎顶板钢筋，分段完成桥面棍凝土的浇筑，并在相应节段混凝土达到强度要求后分批张拉相应的体内预应力钢束；5）利用施工好的济面板交替重复前三步直至完成主梁施工，拆除支架和模板，完成主梁主体工程施工。 二、设计计算分析
1、有限元模型
波形钢腹板纵向刚度非常小，几乎没有承受轴向力与纵桥向弯曲的能力，故在构件刚度计算中可忽略波形钢腹板，仅考虑混凝土顶板和哑铃形钢管混凝土下弦对刚度的贡献。
在采用程序对试设计桥梁进行计算分析时，利用上述截面计算得到的截面特性值，建立杆系模型。在建模之前，首先将中性轴以下的哑铃形钢管混凝土下弦杆换算为混凝土底板，并保证组合截面的抗弯刚度、截面中性轴的位置及组合梁自重不变。根据结构特点，将结构简化为空间杆系结构进行计算。
2、结构验算
1）主梁验算
连续梁桥的跨中截面和支座截面为设计的控制截面，尤其是内支座截面受到较大负弯矩，桥面板承受较大的拉应力。参照JTGD62-2004《公路桥涵设计通用规范》对主梁进行验算，主梁的承载力、应力和挠度均满足要求。表1列出了35#支座截面的验算结果。
2）波形钢腹板验算
波形钢腹板的验算主要根据DB41/T 643-2010《公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范》进行，验算内容包括：在承载能力极限状态下，波形钢腹板的剪应力应控制在容许剪应力下，同时还应进行波形钢腹板的屈曲验算，包括局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲的验算。
计算中忽略主梁顶板及下弦杆承担的剪力，假定作用于主梁的剪力全部由波形钢腹板承担。计算结果表明：承载能力极限状态下，各截面波形钢腹板的剪应力均在容许范围内。
波形钢腹板的屈曲验算用安全系数表示，即波形钢腹板屈曲临界应力与承载能力极限荷载作用下波形钢腹板剪应力的比值。比值大于1时，波形钢腹板屈曲验算通过，满足设计要求。（图7）为波形钢腹板局部屈曲验算结果。
3）连接件验算
在试设计中，波形钢腹板与桥面板通过角钢剪力件连接以保证结构在正常使用期间不产生剪切位移进行验算。在承载能力极限状态下，控制截面<35#支座处）顶板剪力件抗剪承载力验算结果如表2所示，角钢剪力件抗剪承载力安全系数大于1。
波形钢腹板组合箱梁较-般钢-混凝土组合梁腹板的面外刚度大，故有必要对连接处与桥轴成垂直方向的弯矩进行验算。连接件横向验算如表3所示，连接件横向抗弯承载力安全系数大于1。
三、试设计桥与其他钢-混凝土组合梁的比较
1、与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁的比较
为更进一步了解波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合梁桥的结构特点，与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁进行比较。（表3）列出了试设计与原设计主梁相关工程数量。可以看出，与钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁原设计相比，试设计主梁混凝土用量减少7%，钢材用量基本持平。原桥采用管结构，腹杆布置及施工方法决定了腹杆节点处横向混凝土肋的设置，这不仅增加了混凝土用量，同时在一定程度上增加了模板搭设的复杂性，不利于缩短施工工期。
就两组合结构施工性能而言，钢腹杆-单管弦杆-混凝土板组合梁施工架设方便，加工容易，但需保证各组装部件的下料精度，否则会增大组装应力，新型组合梁的波形钢腹板折迭效应使拼装条件获得很大改进，方便了腹板的装配，但波形钢腹板刚度较小，容易产生面外变形。
2、与波形钢腹板混凝土箱梁的比较
传统波形钢腹板混凝土箱梁存在底板易开裂、底板结合部施工质量难保证等间题。相对于传统的波形钢腹板组合箱梁，波形钢腹板-双管弦杆-混凝土板组合箱梁主要优点有：
1）用钢管混凝土下弦杆代替混凝土底板，下翼缘钢管置于外侧，受力合理，一方面充分发挥钢材良好的抗拉性能，防止主梁正弯矩区底板过早开裂，避免了结构刚度和承载力的下降，同时保证了结构的耐久性；另一方面下弦钢管为管内混凝土提供约束，提高抗压性能，更好地承担负弯矩作用。
2）新型组合梁充分发挥钢材轻质高强的特点，钢管混凝土的使用，进一步减轻了上部结构自重，从而也降低下部结构的工程造价。
3）波形钢腹板与下弦管直接采用焊接连接，构造简单，取消腹板与混凝土底板连接件的设置，避免了结合部混凝土浇筑振捣难度较大的问题。
4）钢管下弦杆的运用减少了混凝土作业量，同时无需搭设混凝土底板模板，可缩短施工工期。
四、结束语
波形钢腹板桥与传统的预应力混凝土箱形梁桥相比可减轻主梁自重，提高预应力效率，节约工期、降低工程造价。科学研究及工程实践已充分证明了这种组合结构的合理性和经济性，其应用具有广泛的前景。
参考文献
[1] JT/T 784—2010组合结构桥梁用波形钢腹板[S].
[2] JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].
[3] JTG B01—2003 公路工程技术标准[S].
[4] JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].