我国波形钢腹板预应力混凝土的应用现状-2015年1月23日

我国波形钢腹板预应力混凝土桥的应用现状,中国工程设计大师王用中2014年11月,中国工程设计大师国家有突出贡献专家享受政府特殊津贴专家河南省优秀专家河南省交通规划勘察设计院原院长现首席顾问深圳市市政设计研究院有限公司顾问河南大建钢构股份有限公司首席顾问河南海威工程咨询有限公司董事长,王用中简介,波形钢腹板预应力混凝土桥应用概述波形钢腹板预应力混凝土桥工程实例结语,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥,波形钢腹板预应力混凝土桥应用概述,波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥,法国在80年代末期首先把钢腹板运用于桥梁结构，并建成了第一座波形钢腹板箱梁桥Cognac桥。随着这种结构成功的运用，各国都相继建造了数座此类型的桥梁。如法国的Maupre桥、Asterix桥、Dole桥、挪威的Tronko桥、委内瑞拉的Caracas桥、Corniche桥。日本在引进这种新结构后，很快就在1993年成功建造了日本第一座波形钢腹板箱梁桥新开桥，伴随着第二名神高速公路的建设，日本建造了一系列的此类桥，成为目前修建此类桥型最多的国家，在建和已建成的桥已超过200座。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在日本得到广泛应用,表1国外具有代表性波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,第一座波形钢腹板组合梁桥法国Cognac桥（31m+43m+31m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,Dole桥（48m+580m+48m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,德国Altwipfergrund桥（81.5m+115m+81.4m）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,本谷桥（44m+97.2m+44m连续刚构桥）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,矢作川斜拉桥：173.4m+2235.0m+173.4m,已建成的最宽的波形钢腹板桥，桥宽43.8m,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,（日本）日见梦低塔斜拉桥：91.8m+180m+91.8m,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,银山御幸桥（耐候钢）,白泽桥（耐候钢）,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用,90年代，国内对波形钢腹板箱梁的研究和应用已兴起，先后有交通部交通科研设计院、西南交通大学、东南大学、重庆交通大学等单位对该组合箱梁的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等做过研究。2006年以前，国内只修建了数座波形钢腹板箱梁桥，具有代表性的有青海三道河桥（50m跨单箱双室大箱梁），江苏淮安的长征桥(18.5m+30.5m十18.5m的3跨连续梁，人行桥)，河南的泼河大桥(4跨30米先简支后连续梁桥，公路桥)，重庆市永川的大堰河桥(25m简支箱梁，公路桥)及山东东营的两座人行桥。2006年山东鄄城黄河主桥（70m+11120m+70m）波形钢腹板PC箱形连续梁桥的设计、施工标志着我国波形钢腹板PC桥进入成规模的工程实用阶段。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用,我国在建、已建的波形钢腹板PC桥,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用,由表知：我国波形钢腹板PC桥的应用起步虽较晚，但发展迅速。鄄城黄河公路大桥（70m+11120m+70m）波形钢腹板PC连续梁主桥联长1460m，已超过日本的宫家岛高架桥1432m的记录。南昌朝阳赣江大桥主桥副桥全用了波形钢腹板PC桥，波形钢腹板PC桥总长更达1610m，郑州朝阳沟水库特大桥58m+118m+188m+108m波形钢腹板PC部分斜拉桥已超过了日本日见梦大桥91.8m+180m+91.8m跨波形钢腹板PC部分斜拉桥记录。鄱阳湖大桥桥跨与矢作川桥类似。珠海前山河波形钢腹板PC连续梁桥主跨160m，仅略小于日本已建成的丰田巴川桥。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用,中、日在建、已建波形钢腹板PC桥统计对比,中国在建、已建波形钢腹板PC桥已超过40座，成为世界上第二个广为应用波形钢腹板PC桥的国家。下图为中、日两国已建、在建波形钢腹板PC桥跨度统计对比。由对比知，日本多于50100m中、小跨度间应用波形钢腹板PC桥，中国则多在150m200m以上大跨径桥梁领域内应用波形钢腹板PC桥取代普通的PC桥梁，用作这一跨径领域的主导桥型。中国波形钢腹板PC桥的建设已形成自具特色的发展之路。,波形钢腹板PC桥每平方米材料用量指标对比,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用,注：表中设计指标/据日本130座波形钢腹板PC桥统计归纳指标。,波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用,由表知，我国波形钢腹板PC桥设计水平与日本相近，且材料用量指标略优于日本。因建设需要,与波形钢腹板PC桥相关的规范建设伴随工程发展亦有很大发展。,日本波形钢腹板PC桥设计施工规范,波形钢腹板PC箱梁桥设计计算规定波形钢腹板PC桥设计施工手册波形钢腹板PC桥设计施工指南组合桥施工设计规准公路设计要领道路示方书附解说,波形钢腹板预应力砼箱梁桥计算假定,纵向弯曲时仅考虑混凝土顶底板受力纵向弯曲断面平面假定成立纵向弯曲剪力全部由波形钢腹板承担，切剪应力竖向作均匀分布波形钢腹板总体受力可按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62），波形钢腹板可按公路钢结构设计规范（JTGD64）进行设计。,中国波形钢腹板PC桥设计施工标准,河南省地方标准公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范(DB41T643-2010）广东省地方标准波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工规程（DB44/T1393-2014),广东地方标准与日本规范设计方法对比,波形钢腹板的极限状态设计,波形钢腹板设计方法对比表格,本规程与日本规程波形钢腹板承载力极限状态设计可靠性对比表格,广东地方标准与日本规范可靠度对比,波形钢腹板的极限状态设计,本规程与日本规程连接件承载力极限状态设计可靠性对比表格,广东地方标准与日本规范连接键可靠度对比,连接件的极限状态设计,在竖向弯曲时波形钢腹板上的剪应力分布和传统的混凝土腹板有所不同,沿梁高基本呈等值分布。由于轴向压应力较小，钢腹板可以视为纯剪切状态,因此设计时需要验算钢腹板的剪应力,虽然满足强度设计要求，然因波形钢腹板一般均比较高、比较薄，故还有较大的剪力屈曲稳定问题。还需要计算钢腹板的剪切屈曲。波形钢腹板的剪切屈曲分三种：局部屈曲、整体屈曲和合成屈曲。,三种屈曲形式,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢板的局部弹性剪切屈曲强度可按照下面公式来进行计算。,其中，,：波形钢板的局部弹性剪切屈曲强度,：剪切屈曲系数,：面板幅宽（折痕间的距离）,：波形钢板的杨氏系数,：波形钢板的幅宽厚度比,：波形钢板的高度,：波形钢板的厚度,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢板的弹性整体屈曲强度可通过下面公式来进行计算。,其中，,：波形钢板的弹性整体屈曲强度,：波形钢板上下端嵌固系数（简支时为1.0，固结时为1.9）,：波形钢板的杨氏系数,：波形钢板的高度,：波形钢板的厚度,：对应波形钢板桥轴方向中性轴的单位长度断面2次矩,：波形钢板的波高,：波形钢板桥轴方向投影长度与沿波形展开长度的比值,：对应波形钢板桥轴方向中性轴的单位长度断面2次矩,：波形钢板的泊松比,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢板屈曲计算用折算宽厚比按下式计算。,其中，,：波形钢板的剪切屈服强度（）,弹性屈曲计算理论，没有考虑材料非线性，只适用于材料处于弹性阶段的情况，当材料进入非线性阶段后，往往会过高估计构件的承载力。本规程参考日本波形钢腹板PC箱梁桥设计计算手册提出的与屈曲参数有关的波形钢腹板非弹性剪切屈曲强度计算图式。,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢腹板组合屈曲为局部屈曲与整体屈曲的复合，一般可通过下式计算。Hiroshi提出的计算式则为日本设计资料中广泛采用的公式，公式形如下式，n取4,该公式也用于本规程组合屈曲临界应力的计算。由下式可知，通过整体屈曲强度和局部屈曲强度算得的组合屈曲强度总是最小，因此组合屈曲验算控制设计。,当时，因最小值为，由此可推得由下式可知,波形钢腹板的剪切屈曲,波形钢腹板PC桥工程实例,经济性佐证鄄城黄河公路大桥的实践抗震性佐证伊朗德黑兰北部高速公路BR-06特大桥的设计研究可施工性佐证Rapcon/RW工法常庄水库桥的施工,波形钢腹板预应力混凝土桥及其在我国的应用,鄄城黄河公路大桥设计优化,鄄城黄河公路大桥设计优化,鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大型桥梁，地处山东省南部鄄城县以北，位于山东与河南两省交界处，它是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程鄄城黄河大桥桥孔布置为（由北向南）：950m折线配筋预应力砼简支T梁（70m11120m70m）波形钢腹板预应力砼连续箱梁5850m折线配筋预应力砼简支T梁。,主桥采用70m+11120+70m波形钢腹板PC桥引桥采用50m跨折线配筋PC先张梁主桥连续总长1460m,鄄城黄河桥设计三大创新点,主桥为1460m（13跨）波形钢腹板PC连续梁桥，同类桥规模世界第一。,波形钢腹板PC箱型连续梁主桥设计为分幅上下行四车道高速公路桥，单幅上部箱梁为单箱单室断面，箱梁顶宽为13.5m，箱梁底宽6.5m，翼缘悬臂长3.0m，悬臂端部板厚0.20m，悬臂根部厚0.50m。墩顶根部梁高为7.0m，为跨径的1/17.14；跨中梁高为3.0m，为L/40.为改善1/4跨径处的应力状态，梁高按1.6次抛物线变化。箱梁顶板厚0.25m；底板厚度0.250.80m，按二次抛物线变化。,鄄城黄河公路大桥设计优化,优化断面设计,波形钢腹板采用Q345C钢材，箱梁采用直腹板，墩上块采用砼腹板，距墩上块5m范围内波形钢腹板内设有混凝土内衬，为钢-砼组合腹板，其他部位为波形钢腹板，波形钢腹板波长1.6m，波高220mm，水平面宽43cm，水平折叠角度为30.7，内径为120cm，钢板厚度814mm，其形状如下图。,波形钢腹板大样,波形钢腹板814mm,鄄城黄河公路大桥设计优化,纵向预应力筋分两种：体内束和体外束。预应力钢束均用270级15.24钢绞线，体内束设置类同于一般预应力砼箱型连续梁，按悬臂浇筑预应力混凝土箱梁。120m标准跨除墩顶0号节段外，另对称分为11个悬浇节段。顶板布置32束体内钢束，中跨底板体内钢束布置12束，边跨底板体内钢束布置6束。中跨布置6束体外钢束，边跨布置4束体外钢束。,鄄城黄河公路大桥设计优化,体外索承受荷载采用可调可换体外索,波形钢腹板与顶底板连接采用了埋入式连接，如下图。这种连接形式的优点是构造简便，造价较低，施工方便且抗疲劳性好。,波形钢腹板与顶底板埋入式连接,鄄城黄河桥作为中国第一座较具规模的波形钢腹板PC桥，设计中较好的体现了其经济性较好、施工方便两大特点。,鄄城黄河公路大桥设计优化,采用埋入式连接键,波形钢腹板与混凝土板的的连接,波形钢腹板与混凝土顶底板的连接,波形钢腹板与混凝土顶底板的连接,剪力键的制作费用,常用剪力连接键经济比较表（跨径100m）,波形钢腹板PC桥的经济性,波形钢腹板PC桥的经济性体现于四方面：工程造价节省减隔震措施精简施工效率提高避免了大跨度PC桥常见病害。下表为山东德商高速公路鄄城黄河桥主桥70m+11120m+70m跨波形钢腹板PC桥与相应的习用PC桥材料用量对比，据此对比波形钢腹板PC桥于鄄城黄河桥主桥的应用节省工程造价达22%。,鄄城黄河桥主要材料对比,上表列出了普通PC连续箱梁改为波形钢腹板PC连续箱梁桥后，材料的节省。由于上部结构重量的减轻给桩基工作带来了很大的节约，故其造价节约达到了22%。杭州市德胜东路改造提升工程九盛路段、杭海路段应用波形钢腹板PC桥（45m+75m+45m），较常规桥减少砼25%，主材造价省2242.375万元。,经济效益,日本本谷桥砼腹板与波形钢腹板方案材料数量对比,经济效益,根据我国现行桥梁材料综合单价估计，此桥仅上部结构造价节省了12.4%,信阳泼河桥经济指标对比,经济效益,下表为波形钢腹板PC箱梁桥与普通PC箱梁桥一个节段的工效对比。波形钢腹板PC结合梁与常规PC梁悬浇实际功效对比,鄄城黄河公路大桥的施工效益,鄄城黄河公路大桥,鄄城黄河公路大桥,经济性佐证鄄城黄河公路大桥的实践抗震性佐证伊朗德黑兰北部高速公路BR-06特大桥的设计研究可施工性佐证Rapcon/RW工法常庄水库桥的施工,抗震性佐证伊朗德黑兰北部高速公路BR-06特大桥的设计研究,伊朗德黑兰北部高速BR-06特大桥，为由上海建工外经集团承建的伊朗德黑兰北部高速公路关键工程。伊朗德黑兰北部高速公路，是连接首都德黑兰至里海南岸滨海城市恰卢斯的一条主要交通干线。其中的BR-06特大桥，位于伊朗德黑兰北部山区,于塔隆河谷与桑干河谷交汇处的上游跨越桑干河谷。,BR-06桥概况,BR-06桥概况,83m+153m+83m波形钢腹板效果图,BR-06桥概况,总体布置桥梁按上下行分幅布置，跨径布置为（83+153+83）m，上部结构为波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁。,桥型立面布置图,BR-06桥概况,墩身及基础设计墩身采用空心薄壁墩，顺桥向墩顶宽6m，至墩底按50：1的斜率放坡延伸至墩底，横桥向宽度8.4m（1号墩）和9.2m(2号墩)，壁厚0.7m,墩顶1.5范围为实心段。1号桥墩处设置扩大基础，在扩大基础底设置了抗拉锚杆。2号桥墩采用灌注桩基础（灌注桩成孔采用挖孔或是钻孔）。,1号墩身基础图,2号墩身基础图,BR-06桥概况,支座布置每幅桥在2号墩设置2个固定支座，在1号墩设置2个单向活动支座，在桥台上设置2个单向活动支座。支座的曲后刚度、位移量及支座固定销的剪断值按抗震分析结果特殊设计。,参照美国规范及中国规范，9度地震区设计地震波及速度动峰值为0.40g。故此次抗震分析计算中选用了7条人工合成地震波，其地震动加速度峰值均在0.40g附近，将这7条地震波作为BR-06特大桥的E1水准设计加速度时程，简称设计地震波。时程分析结果取7组地震波作用包络值的平均值。,BR-06桥概况,伊朗地震局提供了三次实测强震记录，其地震加速度动峰值横波为0.480.796g，纵波为0.5050.816g。其值均远大于9度地震区伊朗规范规定的0.35g和中国、美国规范的0.40g。为此将伊朗提供的地震波视作E2水准设计依据，作结构的延性设计验算。,BR-06桥概况,BR-06桥概况,作为减隔震措施，本桥采用了摩擦摆支座。摩擦摆隔震支座利用上下座板与中座板间的滑动摩擦来耗散能量，增大结构阻尼。,BR-06特大桥的抗震支座设置情况,减隔震措施,纵向阻尼器计算结果,阻尼器,1084-1地震波作用墩底截面弯矩,波形钢腹板PC桥的减震效应,洛阳吉利黄河桥波形钢腹板PC桥方案较普通预应力混凝土方案减隔震措施费用降低900万，含节省纵向阻尼器YSX-VFD24套，横桥向阻尼装置26套（两项总造价860万），支座由25MN减为20MN，节约32万元。,波形钢腹板PC桥的减震效应,经济性佐证鄄城黄河公路大桥的实践抗震性佐证伊朗德黑兰北部高速公路BR-06特大桥的设计研究可施工性佐证Rapcon/RW工法常庄水库桥的施工,可施工性佐证Rapcon/RW工法常庄水库桥的施工,桥梁简介：工程名称：东京九州高速公路，津久见川桥桥长：49.6+275+47+42.6总宽：10.7m施工方法：悬臂施工（Rap.con/RW工法）PC钢材：主梁纵向预应力：SWR7B19S15.2顶底板横向预应力：SWPR191S21.8,Rap.con/RW工法津久见川桥施工方案,Rapcon/RW工法,Rap.con/RW工法,传统工法作业区仅限n节段波形板安装、立模、配筋、混凝土浇注、预应力均在n节段进行，施工作业面受限，周期长。受力情况：挂篮较重（110t)，挂篮受时力臂较大，波形板不承担施工荷载。,新工法作业区扩大到n-1、n、n+1三个节段，n+1节段波形板安装、n节段底板施工n-1节段顶板施工，三个作业面流水施工。受力情况：挂篮较轻（75t），挂篮受力时力臂较小，波形板承受施工荷载。,用波形钢腹板作导梁的顶推施工方法岛崎川桥施工实例,波形钢腹板预应力混凝土桥的施工,工程名称：北海道纵贯线岛崎川大桥桥长：554m，51.8m+354.5m+56m+350m+40m+35.8m总宽：11.3m施工方法：顶推施工,导梁总图,导梁断面图,导梁下弦采用高强纤维砼（UFC），本桥应用的砼中配有2%的补强钢纤维，用90蒸气养生，48小时拉压强度达180N/mm2，剪切强度达8N/mm2。,用波形钢板上翼缘板作为导梁的上弦。,用波形钢腹板作导梁的顶推施工方法岛崎川桥施工,波形钢腹板导梁,导梁为节约投资，减低临时结构的用钢量；本桥的导梁利用波形钢腹板作为导梁梁体结构；同时但给工程带来很大的难度和技术上的挑战。,桥式布置图,郑州市常庄水库桥,桥面布置主线高架道路断面总宽25.5m，桥面布置为（0.5m防撞墙+12.0m机动车道+0.5m中央分隔带+12.0m机动车道+0.5m防撞墙）；桥梁结构分成两幅布置，两幅之间设20mm断缝；每幅箱梁采用单箱单室结构，箱梁顶板宽12.75m，底板宽6.0m。,郑州市常庄水库桥,导梁导梁由波形钢腹板主梁、梁间连接系、滑道钢靴、埋入段、根部钢顶板组成；,桥梁结构构造,郑州市常庄水库桥顶推施工,技术方案通过将波形钢腹板PC箱梁截面先“化整为零”为两个波形钢腹板PC工字梁单元，再将预制的两两波形钢腹板PC工字梁单元通过湿接缝连接，“化零为整”横向拼装形成波形钢腹板PC箱梁。,预制式装配波形钢腹板PC组合箱梁,工厂化预制波形钢腹板PC工字梁；架设波形钢腹板PC工字梁浇筑顶、底板混凝土湿接缝形成组合箱梁（或仅浇筑顶板湿接缝）；浇筑各跨间的墩顶横梁张拉墩顶负弯矩钢束或体外索形成连续箱梁。,具体实现流程：,波形钢腹板PC箱梁桥制作、安装流程,技术特点,(1)拓宽了预制安装施工方法的应用范围。工厂化、标准化、装配化有效保证了波形钢腹板PC箱梁的施工质量，加快了施工进度。,(2)预制的波形钢腹板PC工字梁仅承担结构自重和施工荷载，二期恒载和活载由形成的箱梁承担。故每片预制的工字梁截面尺寸可减小，安装重量减轻，常规施工设备就能满足安装要求。,技术特点,(3)预制波形钢腹板PC工字梁除采用后张法预应力体系外，根据预制梁的规模数量和场地条件，还可采用生产效率高、耐久性好、造价节省的先张法体系。,30m跨径每平方米桥梁上部材料用量指标,预应力钢材(kg）,普通钢筋(kg),（不含桥面铺装）,40m跨径每平方米桥梁上部材料用量指标,预应力钢材(kg),普通钢筋(kg),（不含桥面铺装）,50m跨径每平方米桥梁上部材料用量指标,预应力钢材(kg),（不含桥面铺装）,技术指标,与预制装配式混凝土结构桥梁对比：预制装配式波形钢腹板组合梁桥材料用量指标均占优。,与钢-混组合梁桥对比：据国内已建成多座钢-混组合梁桥统计，组合梁自重约为810kN/m2，跨径2030m单位面积用钢量约为150kg/m2，跨径4050m单位面积用钢量约为270kg/m2。自重略大于钢-混组合梁桥，用钢量指标占优。,与波形钢腹板PC箱梁桥对比：预制装配式波形钢腹板组合梁桥用钢量指标偏高，其余指标正常或占优。,据2003年统计，我国工程用混凝土总量已达24亿立方米，占世界混凝土总量的40%60%，其耗用的巨大数量的砂、石、水泥则是用更大的生态环境破坏而换取的，从而形成的建筑垃圾又污染着青山、绿水、城市、村庄。故工程界有识之士正奔走呼吁应用高强、高效材料以减少混凝土用量。节省砂、石资源是为了建设工程界的绿色革命。在工程中推广应用钢结构、钢-混凝土组合结构正式建筑工程中节能减排的有效措施。而我国连续七年的钢产量世界第一，为建设工程这一技术革新提供了物资保障和经济动力。,结论,结语,结语,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