波折腹板组合箱梁桥结构体系分析.pdf

波折腹板组合箱梁桥结构体系分析 刘玉擎 文章编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 0 5 0 1 0 0 0 1 0 4 波折腹 板组 合箱 梁桥结构体 系分 析 刘玉擎 同济大学桥梁工程 系 上海 2 0 0 0 9 2 摘 要 通过 用波折 钢腹板代 替 混凝土腹板 箱梁的 顶 底板 及其 腹板相 互 间不受到 约束 能 够减 小徐 变 干燥 收缩 温差 的影 响 从 而达 到主动控 制设计 的 目的 依 据 大量 的实桥 数据 详 细地 论述 了波折腹板 组合箱 梁桥 的结构布 置特点 截 面各 组成部分 的连接 形式 腹板 尺寸的取值 等设计 方法 关键词 组合梁 箱形梁 结构体 系 波折腹板 桥 梁设 计 中图分 类号 U4 4 8 2 1 6 文献标 识码 A Ana l y s i s o f S t r u c t u r a l S y s t e m o f Bo x Gi r d e r Br i d g e Co m po s i t e d wi t h Co r r u g a t e d S t e e l W e b s LIU Yu q i ng D e p a r t me n t o f B r i d g e E n g i n e e r i n g To n i Un i v e r s i t y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 C h i n a Ab s t r a c t Th e wa y t o s u b s t i t u t e c o r r u g a t e d s t e e l we b s f o r c o n c r e t e we b s o f a b o x g i r d e r b r i d g e wi l l r e s u l t i n n o r e s t r a i n t a mo n g t h e u p p e r d e c k s l a b l o we r d e c k s l a b a n d we b s o f t h e b r i d g e a l l e v i a t e i n f l u e n c e s d u e t o c o n c r e t e c r e e p d r y i n g s h r i n k a g e a n d t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e s a n d c o n s e q u e n t l y a c h i e v e t h e p u r p o s e o f a n a c t i v e c o n t r o l d e s i g n On t h e b a s i s o f t h e ma s s i v e d a t a o f t h e o b s e r v e d b r i d g e s t h i s p a p e r d e s c r i b e s i n d e t a i l s t h e d e s i g n me t h o d f o r t h e b o x g i r d e r b r i d g e c o mp o s i t e d wi t h c o r r u g a t e d s t e e l we b s i n c l u d i n g s t r u c t u r a l l a y o u t c o n n e c t i o n s o f a l l p a r t s o f t h e g i r d e r s e c t i o n a n d d e t e r mi n a t i o n o f we b s i z e v a l u e s o f t h e t y p e o f t h e b r i d g e Ke y wo r d s c o mp o s i t e g i r d e r b o x g i r d e r s t r u c t u r a l s y s t e m c o r r u g a t e d we b b r i d g e d e s i g n 1 前 言 混凝 土箱 梁一 般都在 顶 底板及 其腹 板布置 预 应力 筋来 提高抗弯 抗 剪承载性能 因而截面都 比较 厚 将 预应力 筋移到腹板截 面外 即采用体外索后 相对 于顶底 板 腹 板厚 度具 有 了减 小 的余 地 但是 腹板 与顶底 板形成一体 徐 变 干燥 收束及 其温差引 起 的应力 问题 比较突 出 经常会产生裂缝 严重地影 响了承载性 能及 其耐久性 法 国在这 方面作 了许 多创新 性 的工作 即通 过 用弯成波折形状 的薄 壁钢 板来 代替 混凝 土腹 板 使 截面各部分单 独受 力 达 到改 善力 学 性能及 其减 轻 上部 结构 自重 的 目的 并 于 1 9 8 6年 建成 了跨 度 为 3 1 4 3 3 1 m 的 3跨 连 续 箱 梁桥 C o g n a c桥 随后又完成 了类似 的 3座桥梁 德 国正建的一座用 波折腹板 的 3跨 连续 箱 梁桥 Ah wi p f e r g r u n d桥 其各跨跨 度为 8 2 1 1 5 8 2 m 韩 国正在施 工 的 I l s u n桥 各跨跨 度为 5 0 m 1 0 6 0 m 5 0 m 2 5 0 5 m 采 用单 箱 3室 截 面 日本 到 2 0 0 2年 末 为 止 已建 1 8座 在建 1 1座 从 桥型来看 有简支梁桥 2座 连续梁桥 1 0座 连续 刚构 桥 1 4座 低 塔 收稿 日期 2 O O 4 一O 6 3 O 基金项 目 国家 自然 科学 基金 资助 5 0 4 7 8 1 1 0 作者简 介 刘 玉擎 1 9 6 2 一 男 副教 授 1 9 8 5年 毕业 于西安 冶金建 筑学 院工业 与 民用建 筑工 程专业 工学 学 士 1 9 8 8年 毕业 于西 安 冶金 建筑 学院结构工程专业 工学硕士 1 9 9 6 年毕业于 日本九州大学土木工程专业 工学博士 维普资讯 2 桥 梁 建设 2 0 0 5年 第 1期 斜拉桥 2座 及其斜拉桥 1座 2 结构布置特点 的分 析 波折腹板 组合 箱梁 是 由混凝 土顶 底板 波折钢 腹板 横隔板 体 内外 预 应力索 等 构成 通 过采 用 波 折形状 的钢腹板 构 成钢 板 与混凝 土组 合箱 梁 截 面 体 系 能够更加有效地施 加预应力 表 1示出 已建及在建 的该 型桥 梁的预应力筋 的 配置形式 钢材种类 最大跨径 箱梁截 面高度 波折 腹板截 面尺寸及 其板厚 纵桥 向受力 的主筋有 2种 形式 即单独使用体外 索与体 内外索 同时使用 部分 桥梁 的波折腹板 采用 了耐候 钢 来 达 到减少 维 护费 用 的 目的 j 图 1是该 型桥梁 的各种结构体 系与最大跨径 的 关 系 2座简 支梁 桥 的最 大跨 径 分别 为 3 O 5 0 m 连续梁 桥现已做到 9 1 5 m 2座 T 形 刚构 桥 的最 大跨 径在 8 0 m 左右 连 续 刚构桥 达 到 了 1 3 6 5 m 不论是梁式 桥 还是 刚构桥 都实现 了多跨 连续 图 1 结构 体 系与 最大 跨径 的关 系 图 2 3所示 是箱梁跨 中及其墩上 的截面高度与 最大跨径 的变 化关 系 通 过 比较分 析可 知 相 比其 他的梁式桥或 刚构 桥 采用 T形 刚构 体 系桥梁 的高 跨 比较大 分别为 1 l o 5 1 1 1 1 与混凝 土箱梁 桥 相 比较 箱梁墩上 的高跨 比相 差不大 除去必须与相 邻 桥梁等高 的桥梁 而跨 中高跨 比较大 以此来提 高 体外 索的偏心矩 图 2跨 中截面 高 度与 最大 跨径 的 关 系 图 3 墩 上 截面 高 度与 最大 跨径 的关 系 3 波折腹板截 面参数的取值 波折腹 板的形状是按照剪 切屈服前不能发生剪 切 屈 曲 及其极 限荷载 作用 时不 能发 生剪切屈 服 的 表 1 已建及 在建 波折 腹板 组 合箱 梁桥 截面 尺 寸的 实例 维普资讯 波折 腹板 组合 箱梁 桥结 构体 系分析 刘 玉擎 3 2个条件 设计 的 但 波折 高 度取 值偏 小 的情况 常 常 会发生 这时必须 考虑 到横 桥 向刚度 等综 合 因素来 确定各 尺寸 表 1中的 a c 分别 为直板段及其斜板 段 的宽度 b d 分别 为斜 板 段在 纵 桥 向的 投影 长 度及其 波折 高度 通过 比较 分析可知 除去采用预制 节段梁并要求 与相邻 桥梁 等 高的锅 田高 架 桥之外 所有桥 的波折腹 板直 板段 与斜 板段 的宽 度都 相 同 除去锅 田高架 桥及 其最早建成 的 Co g n a c 桥 波折高 度与直板段或斜板段 的宽度 的 比大致 在 0 4 0 6 之间 图 4 腹 板厚通 常要 满 足钢 板最小 厚 度 的要 求 一般使用 的最小厚度为 8 mm或 9 mm 图 5 6是 波折腹板 厚度 箱 梁截 面高度 与最 大 跨 径 的变化关系 除去极 少数 桥梁 的跨 中与墩上 的 截面高度 腹板 厚度相 同外 跨 中板厚与波折高度 比 约为 0 0 5 而墩上板 厚与波折高 度 比的变化 就 比较 大 截面高度 与波折 高 度 比 在跨 中处 为 1 O 2 O 在墩 E为 2 O 3 5 图 4波 折高 度与 最大 跨径 的关 系 图 5腹板 厚 度与 最大 跨径 的关 系 图 6箱梁 截 面高 度与 最大 跨径 的关 系 4 箱 梁截面连接 的分 类及其特点 4 1 波折 腹板间 的连接 波折 腹板一 般 由于加 工 运输及 其施 工上 的要 求 在纵桥 向都分割成节段 在现场加 以拼 装 各节 段腹 板 间 的连 接通 常 是焊 接或 用 高强度 螺栓 表 2 示 出腹 板连接 的几个 实例 波折腹板与 以往 的平钢 板 间的连接不 同 即在纵桥 向刚度 比较小 不需要承 担轴力 仅仅需要考虑 如何有效地 承担剪力 腹板对接在一起用坡 口焊连接 作为强度方 面是 可 以得到充分保证 的 其优 点是外 观很好 可是施 工 方面不是最好 的选 择 腹板搭接 在一起用 贴角焊连 接 对于仅仅需要 承担剪力 的波折腹 板来说 是 比较 好 的方式之一 法国的 3座桥及 其 日本的几 座桥都是 采用这种连接形式 采用单 面摩擦 时把 2块 腹板搭 接在一起是最 简单 的连 接形式 本谷 桥 胜 手川桥等 桥梁就采用这种形式 另外 也有将 焊接在波折腹板 接头处的 2块翼缘板用高强度螺栓连接 的方式 银 山 御幸桥就用 这种连接 使用 2块盖板 的双 面摩 擦 的 实例较少 仅仅德 国的 Al t wi p f e r g r u n d桥采用 表 2波折 腹 板 间连接 的 实例 4 2 波折腹板 与顶底 板 的连接 波折腹 板与混凝 土顶底 板之间 的连接方式 大致 有 2种 即腹板上 下端 焊接 翼缘 板并 配 置连 接件 的 翼缘 型 把腹板直接伸 入到混凝 土顶底 板中 并在腹 板上设有 圆孔 的嵌入型 依 据使用 的连 接件 不 同 翼缘 型接 合方式 又可 以分成 型钢 连接件 型 焊钉 连接 件 型及其 开孔 钢板 连接件 型 5 使用 型钢连 接件 的接 合方式 有 法 国 的几座 桥及 其 日本道 路公 团的大 多数 桥 使用 焊钉 连接件是 比较 简单 的接合方式 有新开桥 银 山御幸 桥 Al t wi p f e r g r u n d桥等 使用开孔钢 板连接 件是近 几年来开始使 用的一 种连 接方式 在 实际工 程 中往 往是将 H 型钢切 割成一半直接焊 接在腹板 上 并在 孔 中贯通钢筋 提高抗剪强度 翼缘板 的宽度与厚度 维普资讯 4 桥梁 建设 2 0 0 5年第 1期 几乎都 是按 构 造 要 求确 定 所 用 宽度 厚 度 分别 在 2 5 0 3 6 0 mm 1 0 2 2 mm 之 间 嵌入 型连接是把桥面板 的横 向钢筋 贯穿波折腹 板 的圆孔 并沿着纵 桥 向将 2根 钢筋焊 接 在腹板 端 部 然后浇注混凝 土板 纵 向 的抗 剪作 用 主要靠 圆 孔 中的混凝 土与波折 腹板 的斜 板段 焊 接 的 圆钢 能 够承担腹板 面外 弯矩的作用 该嵌入 型连接要将钢 筋焊接在腹板 端部 除焊接 比较 麻烦外 担 心有疲劳 问题 图 7是黑 部川铁 路桥采用 的另一种嵌 入型连 接方式 代之 以钢筋 把 2块开孔钢板用螺 栓固定 在 腹板端部 的左 右侧 图 7用 连 接 带 板 的 嵌 入 式 接 合 4 3 波折腹板 与横端梁 的连接 波折腹板与墩上混凝 土横端梁之间 的连接也是 重要 的接合部位 要确 保波 折腹 板所 受到 的剪力 能 够有效地传给下部结构 两 者间的连接方式有翼缘 型与嵌入型 图 8所示 是翼缘 型接 合 的 2个 实例 在翼缘 板 上焊接开孔 钢板或 开孔角 钢 图 9所 示是 嵌入 型接 合 的 2个 实例 将波 折腹板端部伸入横 隔梁 并在伸 入部 分 设有 圆孔或配 置焊钉连接件L 7 开孔钢板连接件 型钢连接件 图 8 腹 板与 横端 梁 的翼 缘型 接合 5 结 语 一 般认 为 波折腹 板组 合箱梁 桥相 对于混凝 土 箱 梁桥 主要优势在 于 用波折 钢腹板 替代混凝土腹 开孔钢板连接件 焊钉连接件 图 9 腹 板 与 梗 端 梁 的 嵌 入 型 接 合 板 主梁 自重 可 以减 轻 约 2 O 以上 波折 钢板 是 利 用弯成 的波 折几何 形 状来 代替 加劲 肋 具有 很 高的 抗剪强度 腹板加 工可 以实行 工 厂化 施 工更 容 易 波折腹板在纵桥 向刚度 几 乎为 零 大 幅度提 高 了施 加预应力 的效率 同时使 上下 混凝 土翼缘 板 相互 间 不受 到约 束 徐 变 干燥 收缩 温 差 等 的影 响减 小 短短十几年 的时 间 波折腹板组 合箱 梁桥发展很快 不仅可 以用于公路桥 而且还用 在铁路桥 显示 了较 好 的应用前景 参 考 文 献 1 Ka d o t a n l T s u t o mu Th e I n n o v a t e d Te c h n o l o g y o n P r e s t r e s s i n g Sy s t e m De v e l o p e d b y J a p a n Hi g h wa y Pu b l i c C o r p o r a t i o n A P r o c e e d i n g s o f t h e 1 f i b C o n g r e s s C O s a k a 2 0 0 2 3 5 4 6 2 Th e S o c i e t y o f Re s e a r c h f o r C o mp o s i t e S t r u c t u r e wi t h Co r r u g a t e d St e e l W e b M a nu a l f o r Pl a n ni n g o f Co r r u g a t e d S t e e l We b Br i d g e s R 1 9 9 8 3 3 刘玉擎 陈艾荣 耐候钢桥的发展及其设计要点 J 桥梁建设 2 0 0 3 5 3 9 4 2 4 He l mu t Ro e s l e