波形钢腹板组合箱梁桥应用综述
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摘要:本文介绍了波形钢腹板的发展及结构优点，并总结了国内外对波形钢腹板组合箱梁的受力特点的研究成果。
关键词:波形钢腹板；优点；受力特点
Abstract: This paper introduces the development and structural advantages of corrugated steel web, and summarizes the research results on the mechanical characteristics of the composite box girder with corrugated steel webs at home and abroad.
Key words: corrugated steel web; advantages; stress characteristics
中图分类号：U448.21+2 文献标识码：A文章编号：
1 引言
混凝土箱型粱抗弯和抗扭刚度大，因此在中、大跨径桥梁中广泛应用，然而采用传统混凝土腹板的箱梁，其结构恒载对控制截面产生的内力一般占到了总内力的80％以上，并且随跨径增大、桥面加宽，则该比例越高。另外由于预应力混凝土箱梁需要在腹板内布筋等原因，必须增加腹板的厚度，从而腹板面积高达其总截面积的25％~30％[1]。因此，必须采取有效措施或采用新型结构来减少腹板厚度，从而减轻箱梁自重、降低箱梁纵向预加力值，进而减少预应力筋用量。为了有效地实现结构轻型化，波形钢腹板箱梁桥这种新型桥梁就这样应运而生了。
波形钢腹板最初应用于建筑是在20世纪60年代后期，当时瑞典就已经开始用波形钢腹板梁作房屋的承重梁了，但直到20年后，波形钢腹板箱梁才被用于桥梁工程。1975年法国工程师首先提出了用平钢腹板代替混凝土腹板，采用体外索施加纵向预应力作用，从而大大减轻自重。但由于采用的是平钢腹板，需要在腹板内部焊接强大的纵向加劲肋，同时由于混凝土收缩徐变引起的变形协调问题会造成顶、底板的有效预应力显著减小，而钢腹板应力增加[2]。为有效解决预应力向钢腹板的转移，1986年，法国工程师采用波形钢腹板取代平钢腹板，建成了世界上第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥——Cognac高架桥。
随后日本、德国、美国、韩国等均有修建。各国也针对这种桥型展开了大量研究，其中日本不仅该种桥梁数量居多，而且在桥梁结构体系也进行了各种扩展，由简支发展到连续，并对悬索桥的加劲梁采用波形钢腹板进行了深入的研究[3]。因此，波形钢腹板箱梁桥具有十分广阔的应用前景。
2 波形钢腹板箱梁桥结构优点
(1)自重降低，抗震性能好。腹板采用较轻的波形钢板，其桥梁自重大为减轻，地震激励作用效果显著降低，抗震性能获得一定的提高。
(2)节约建筑材料，改善经济指标。采用波形钢腹板代替厚重的混凝土腹板，大幅度减轻了上部结构的自重，增大了桥梁的跨径并使下部结构的工程量获得减少，从而降低了工程总造价。
(3)改善结构性能，提高预应力效率。波形钢腹板的纵向刚度较小，几乎不抵抗轴向力，因而在导入预应力时不受抵抗，纵向预应力束可以集中加载于上、下翼缘板，从而有效地提高预应力效率。
(4)各种材料各尽所能，充分发挥其效率。混凝土用来抗弯，而波形钢腹板用来抗剪，几乎所有的弯矩与剪力分别由上、下混凝土翼缘板和波形钢腹板承担，而且其腹板内的应力分布近似为均布图形，而非传统意义上的三角形，有利于材料发挥作用。
(5)增加了截面回转半径，提高了结构效率。波形钢腹板箱梁桥中的混凝土均集中在上下翼缘处，回转半径几乎增加到最大值，大大提高了截面的结构效率。
(6)减少现场作业，加快施工进程。其在施工过程中，可以减少大量的模板、支架和混凝土浇注工程，免除在混凝土腹板内预埋管道的烦杂工艺，而且波形钢腹板可以工厂化生产，现场拼装施工，从而加快了施工进程。
(7)减少了节段数量，缩短了工期。由于梁体自重的减轻，悬臂施工时，可减少节段数量。
(8)体外力筋可以替换，便于桥梁的维修和补强。波形钢腹板箱梁桥采用体外预应力，因而即使在长期运营后，体外预应力索出现磨损或断裂时，也可以在夜间停止车辆通行后对其进行更换。
(9)避免了腹板开裂问题，耐久性能好。传统的预应力混凝土箱梁桥受外力荷载以及混凝土收缩、徐变的影响，常常在腹板出现裂缝，造成了混凝土截面削弱、钢筋腐蚀乃至于要进行维修补强等一系列问题，而波形钢腹板箱梁桥则不会出现上述问题，耐久性能较好。
(10)造型美观。波形钢腹板具有优良的外观，可使桥梁获得较强的美感，是山区、风景区较好的桥型选择。
3 波纹钢腹板箱梁桥受力特点研究现状
3.1 弯曲性能
Elgaaly和Hamilton等人[4]于1993年就钢翼缘的波形钢腹板梁做过抗弯试验，得到钢腹板基本上不抵抗弯矩的结论，同时利用有限元模型验证了试验结论，因此在计算波形钢腹板弹性范围内的承载力时，可忽略腹板的作用。
陈建兵等[5]对波形钢腹板组合箱梁模型梁的抗弯性能进行了理论分析与试验研究，分析了波形钢腹板的褶皱效应及波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的弯曲应力计算模式，讨论了在跨中截面单点对称荷载作用下波形钢腹板和上下混凝土翼缘板的纵向正应力分布规律组合箱梁的变形及裂缝分布规律。试验结果表明在荷载作用下波形钢腹板组合箱梁具有常用梁的特性。
胡娟[6]在满足“平截面假定”和“变形协调条件”的基础上，用能量变分法对波纹钢腹板PC组合箱梁的抗弯性能、波纹钢腹板的弯曲及轴向变形特性进行了理论分析，讨论了在跨中截面单点对称荷载作用下，上、下混凝土翼缘板的纵向正应力分布规律，并与试验结果进行比较，结果表明，采用能量变分法对波纹钢腹板组合箱梁进行理论分析是合理有效的。
徐岳等[7]结合波形钢腹板PC组合箱梁桥抗弯特性，总结了波形钢腹板组合箱梁有效分布宽度、偏载效应的已有研究成果，参考国外对该类桥中体外预应力筋的有效高度和极限应力取值，根据弯曲理论推导出波形钢腹板PC组合箱梁桥抗弯承载能力计算公式。
3.2 剪切屈曲稳定性
区别于传统的混凝土腹板的箱梁，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。美国的Elgaaly和Hamilton等人[8]通过非线性有限元方法对波形钢腹板的剪切屈曲荷载和屈曲模式进行了系统的理论研究工作，并进行了相应的实验验证。实验结果表明，波形钢腹板箱梁的剪力完全由波形钢腹板承担，且钢腹板的破坏为屈曲破坏，波纹的疏密影响了腹板的屈曲强度的控制，当波纹较密时，由整体强度控制，反之由局部屈曲强度控制；并且在屈曲过程中，有可能伴随有合成屈曲。
英国的Johnson教授[9]在研究波形钢腹板几何参数的优化时发现，波形钢腹板的有效剪切模量Ge比钢板本身的剪切模量G有所降低。
瑞典学者R．Luo和B．Edlund等人[10]对波形钢腹板的工字形梁的极限承载力进行了研究。结果表明，波形钢腹板的应力．应变曲线对极限承载力有影响，同时梁的几何参数也决定着极限承载力的大小。另外，他们又运用非线性有限元方法对影响波形钢腹板抗剪切屈曲强度进行了参数分析[11]，结果表明，波形钢腹板的几何参数对屈曲强度有相当大的影响，腹板的屈曲强度随着腹板高度、腹板厚度、折叠角度的增大而提高；波形钢腹板的子板宽度越小，腹板屈曲强度越大。
周绪红等[12]以某跨径为40 m的波纹钢腹板预应力组合梁桥为原型，根据相似理论设计制作了缩尺模型试验梁。通过测试模型梁在静荷载作用下的挠度和应变，采用有限元方法研究了波形钢腹板的整体尺寸、波形板厚度、波折角度、波形板高度和平板宽度等对波形钢腹板构件非线性剪切屈曲性能的影响，结果表明混凝土顶板和底板承担了大部分弯矩，波形钢腹板主要承担剪力，且剪力沿波形板高度方向均匀分布。
胡华万等[13]对波形钢腹板组合箱梁模型梁的抗弯性能进行了理论分析与试验研究。组合箱梁的变形及裂缝分布规律试验结果表明在荷载作用下波形钢腹板PC组合箱梁具有常用梁的特性。
3.3 扭转与畸变
Y．L．Mo[14]等基于软化混凝土的平衡方程，将软化桁架模型理论应用于波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的抗扭计算中，给出了此类桥的抗扭承载力计算公式。
聂建国等[15]在钢筋混凝土变角软化桁采模型薄膜元理论的基础上，提出了针对波形钢腹板PC组合箱粱这种新型桥梁结构的纯扭性能分析模型，建立了一组充分满足平衡条件、变形协调奈件和材料本构关系的方程，并给出了求解这些方程的有效算法，同时验证表明该模型可以用于准确预测极限抗扭承栽力，为混凝土翼板开裂后梁的全过程分析提供了有效途径。
李宏江[16]以箱梁设计理论为基础，结合波形钢腹板组合箱梁的结构特点，采用乌曼斯基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。根据实际情况引入了“波形钢腹板不抵抗纵向翘曲”的假定，应用最小势能原理建立了适用于波形钢腹板组合箱梁的畸变微分方程，分别采用弹性地基梁比拟法和加权残数法求解等高度及变高度波形钢腹板箱梁畸变微分方程，还结合波形钢腹板箱梁的结构特点并运用初等梁理论，提出此类梁受弯时考虑剪切变形的挠度计算方法。
4 结束语
波形钢腹板箱梁桥无论是结构形式，还是预应力体系都有其独到之处，且在减少工程量、缩短工期、提高经济效益以及施工性能和美观等方面具有很大的优势；另外其跨度空间很大，适用的桥梁结构形式广泛，从简支梁、连续梁到连续刚构，再到部分斜拉桥甚至斜拉桥，具有强大的适应能力，是一种很值得推广的新型桥梁。因此，波形钢腹板PC组合箱梁在我国必将有广阔的应用前景。
参考文献
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