波形钢腹板PC箱梁桥讲稿

1、波形钢腹板PC箱梁桥中国工程设计大师：xxxx、波形钢腹板PC箱梁桥的技术优点2 、波形钢腹板PC箱梁桥在国内外的应用3 、波形钢腹板PC箱梁桥的力学特性与结构要点4 、波形钢腹板PC箱梁桥的设计、计算、波形钢腹板PC箱梁桥施工6 、波形钢腹板PC箱梁的经济效益1. 波形钢腹板PC箱梁桥的 技术优点 顾名思义，波形钢腹板预应力混凝土箱形梁就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。其显著特点是用10mm左右厚的钢板取代厚3080cm厚的混凝土腹板。鉴于顶底板预应力束放置空间有限，导致体外索的应用则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。 (1) 自重降低, 抗震性能好：其桥

2、梁自重与一般的预应力混凝土箱梁桥相比大为减轻, 地震激励作用效果显著降低。(2) 节约建筑材料, 改善经济指标：大幅度减轻了上部结构的自重, 减少于混凝土、预应力钢材、钢筋用量，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, 因而在不承受预应力, 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：在波形钢腹板PC 箱梁桥中, 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混凝土顶、底板和波形钢腹板承担, 而且其腹板内的

3、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PC 箱梁桥中的混凝土均集中在顶、底板处, 回转半径几乎增加到最大值, 大大地提高了截面的结构效率；波形钢腹板PC箱梁桥的优点 (6) 减少现场作业, 加快施工进程：波形钢腹板PC 箱梁桥在施工过程中, 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, 且能作为施工挂篮、导梁等承重构件，从而简化施工设施，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

4、, 可减少节段数量, 因而可以大大地加快施工速度, 缩短工期；(8) 体外力筋可以替换, 便于桥梁的维修和补强：波形钢腹板PC 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 PC 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

5、择。2. 波形钢腹板PC箱梁桥在 国内外的应用波形钢腹板组合箱梁桥发展沿革混凝土箱梁腹板厚度、自重较大， 需要设置弯起或竖向预应力筋。腹板与顶底板形成一体，顶底板的温差及其腹板的干燥收缩引起的应力问题比较突出，会出现各种各样的裂缝，严重地影响了承载性能及其耐久性。预应力筋外移、即采用体外索后，自重能得到部分减轻。法国的桥梁工程界在这方面作了许多开创性的工作，即通过用预制混凝土腹板、平板钢腹板或波折钢板腹板，来改善力学性能及其减轻上部结构自重的目的。 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

6、梁。如法国的Maupre桥、Asterix桥、Doie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。随着科研和实践的进一步的深入，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国外的应用桥 名结构形式跨径布置（m）梁高（m）施工方法建成年份Cognac桥（法国）3跨连续31+43+312.25满堂支架1986Maupre高架桥（法国）7跨连续40.95+47.25+53.55+50.4+47.25+44.10+4

7、0.953.0顶推施工1987Dole桥（法国）7跨连续48+580+482.5-5.5悬臂施工1988Altwipfergrund 桥（德国）3跨连续81.5+115+81.42.8悬臂施工Ilsun桥（韩国）14跨连续50+1060+50+250.5顶推施工2005Asterix桥（法国）2跨连续43 (最大跨径）2.25支架施工1989Coniche桥（委内瑞拉）7跨连续80(最大跨径）3.5悬臂施工2002国外具有代表性波形钢腹板预应力砼箱梁桥（不含日本）编号桥梁名施工方法构造形式桥长(m)跨径布置(m)竣工年份1栗东桥悬臂施工4跨部分斜拉桥495.0 137.6170.0115.06

8、7.6施工中2矢作川桥（东）悬臂施工4跨预应力斜拉桥820.0 173.42235.0173.420053池山高架桥悬臂施工10跨预应力连续刚构941.0 46.5104.0114.099.04106.598.050.520064中一色川桥悬臂施工5跨预应力连续粱535.4 71.33130.071.3施工中5中一色川桥悬臂施工6跨预应力连续粱574.3 62.83112.0110.561.3施工中6宫家岛高架桥悬臂施工23跨预应力连续粱1432.0 51.2753.054.085.053.0352.058.560.0101.5施工中7入野高架桥支架施工10跨预应力连续粱679.0 56.73

9、58.080.0124.080.0258.045.7施工中8朝比奈川桥悬臂施工7跨预应力连续刚构670.7 81.2150.491.273.294.7104.873.2施工中9上伊佐布第三高架桥悬臂施工5跨预应力连续刚构449.0 53.0105.0136.099.053.0施工中10前川桥悬臂施工5跨预应力连续粱500.0 76.8120.0104.0120.076.8施工中11谷津川桥悬臂施工5跨预应力连续粱383.5 43.891.0135.074.037.3施工中12菱田川桥悬臂施工8跨预应力连续刚构688.0 64.93105.0124.075.054.052.9施工中日本具有代表性

10、的波形钢腹板桥Maupre高架桥本谷桥栗东桥实景（部分斜拉桥）137.6m170.0m115.0m67.6m施工中的栗东桥德国Altwipfergrund 桥矢作川斜拉桥：173.4m+2235.0m+173.4m,已建成的最宽的波形钢腹板桥，桥宽43.8m日本、日见低塔斜拉桥：91.8m+180m+91.8m曾宇川桥：23.1m跨波形钢腹板预应力砼梁桥 国内对波形钢腹板箱梁的研究还处于初级阶段，先后有交通帝交通科研设计院、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。 到目前为止，国内只修建了6座波形钢腹板箱梁桥，分别

11、是青海三道河桥（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。正在施工的有山东鄄城黄河公路大桥（70m+11120m+70m连续梁)及已完成施工图设计有深圳市的南坪快速路二期工程的南山大桥（80m+130m+80m刚构桥）、甘泉大桥（95m+130m+80m刚构连续桥），正设计中的南京长江四桥引桥（50m+90m+50m跨连续梁）。波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国内的应用山东鄄城黄河公路大桥： 70m+11120m

12、+70m甘泉大桥98m（96m）+130m+80m南山大桥80+130m+80m3.波形钢腹板PC箱形梁的 力学特性与结构要点 （1）波形钢腹板在纵向由于折皱效应，其纵向抗拉压刚度小，故设计时可以认为波形钢腹板不承受轴向力：即近似认为抗弯惯矩计算可仅考虑混凝土顶、底板，而剪力则完全由钢腹板承担，且剪应力在腹板上作均匀分布。波形钢腹板主要作用在于抗剪，故波形钢腹板的厚度与形状取决于抗剪强度与剪切屈曲稳定性的需要。 （2）波形钢腹板预应力砼箱梁的另一技术特点是通常采用体内、体外预应力索并用的方式：即在混凝土顶板、底板中配置纵向预应力筋，用以抵抗施工时的荷载及自重。在箱内配置体外预应力束，通过转向块

13、来转向并最终锚固在横隔板上，实现曲线或折线配筋，以体外索来承担外荷载的作用，因此有必要时，可以在使用期间封闭交通来更换体外索。结构要点 （3）波形钢腹板节段之间及与上、下混凝土板的连接：波形钢腹板的预制节段之间一般通过高强螺栓或现场焊接的方式连接，波形钢板与混凝土顶底板的连接：一是非埋入式连接，在波形钢板的上下端部焊接钢板，钢板上焊接剪力钉（柱型螺栓），使之与混凝土板结合在一起。二是埋入式连接，在波形钢板上打孔。穿过钢筋（贯通钢筋），再在钢板的上、下端部焊接纵向钢筋（约束钢筋）并埋入混凝土的结合方法。PC箱梁与波形钢腹板PC梁桥的刚度比较表单位PC桥波形钢腹板桥/跨中断面面积m27.12 5.

14、80 0.81 断面惯性距m46.19 5.61 0.91 扭转惯矩m412.31 5.16 0.42 腹板断面面积m22.10 0.027 -弯曲刚度EcIKN.m21.92x1081.74x1080.91 扭转刚度GcJtKN.m21.60 x1086.71x1070.42 剪切刚度GcAwKN2.73x1072.08x1060.08 根部断面面积m214.94 7.85 0.53 断面惯性距m486.60 68.24 0.79 扭转惯矩m495.04 27.37 0.29 腹板断面面积m28.19 0.122 -弯曲刚度EcIKN.m22.68x1092.12x1090.79 扭转刚度G

15、cJtKN.m21.24x1093.56x1080.29 剪切刚度GcAwKN1.06x1089.39x1060.09 力学特性波形钢腹板PC箱梁竖向弯曲符合以下假定（1）忽略波形钢腹的纵向抗弯作用（2）在竖向荷载作用下弯曲平面假定成立（3）弯矩仅由顶底板构成的断面承担（4）剪力由波形钢腹板承担，且剪应力呈均匀分布桥名新开桥银山御幸桥本谷桥腾手川桥小河内川桥构造形式简支桥连续梁连续刚构连续刚构梁连续刚构自振频率(Hz)一阶3.9502.7781.6481.8401.756二阶5.4003.1671.8312.6952.491三阶-3.7103.2353.2205.020衰减系数一阶0.0270

16、0.00700.03200.01180.0073二阶0.03400.00840.02100.00920.0065三阶-0.0095-0.00940.0056波形钢腹板桥自振频率与衰减系数波形钢腹板PC桥的振动特性与衰减系数 由分析、试验、实桥检测知，波形钢腹板PC桥的振动特性介于PC桥与钢桥之间；一般PC桥体外束自振频率为12Hz-18Hz，衰减系数为0.0002，一般不会发生体外束引发整桥共振问题。波形钢腹板PC桥的抗震性能 纵向抗震性：一般认为减轻了主梁的重量，所以有利于抗震。但是，主梁和桥墩固结的刚构桥梁等地震时响应复杂，而且弯曲刚度小于一般的PC桥梁，所以地震时不仅是下部结构，上部结构

17、也有可能进入塑性域，因此有必要引起注意 。横向抗震性：波形钢腹板PC桥梁不具有混凝土腹板，所以减少了承受面外方向地震的受拉钢筋。因此，预计面外方向的抗力低于通常的混凝土箱梁桥。但是，面外方向的弯曲刚度亦有所下降，可是其量较小，所以认为两者的抗震性能基本相同。混凝土顶、底板通过刚度较小的波形钢腹板而连接，所以有可能认为混凝土板引起个别响应，但是从分析中已经确认到两个混凝土板连成一体响应，而且不产生顶、底板之间的相位差，而且振幅基本相同。一般波形钢腹板PC桥梁在面外方向具有较高的弯曲刚度，因此认为对面外方向的地震没有特别要关注的问题。 总之，波形钢腹板PC桥梁的抗震能力介于PC桥与钢桥之间。波形钢

18、腹板PC桥的抗疲劳性能由银山御幸桥车辆动载试验得到波形钢腹板桥本身振动加速度最大值为3gal，其值非常小，因此认为其疲劳问题会很少。考虑的重点是波形钢腹桥与翼缘板的连接焊缝，日本曾作过波形钢腹板桥、波形钢腹板PC桥的疲劳模型试验与有限元分析，同时作了（44.25+136+44.25）m三跨连续梁实桥有限元分析，结论是较高应力部分在腹板与砼连接开孔处，但是这里应力幅很小，很难想像会出现疲劳问题。波形钢腹板PC桥耐久性 其耐久性类同钢混组合梁桥，日本波形钢腹板结构研究会2005年组织对已经运营了510的新开桥（1993建成）、银山御幸桥（1996年建成）、本谷桥（1999年建成）进行了实地检测，结

19、果表明这三座桥外观、内在均无明显病害，运营状况正常。 4. 波形钢腹板PC箱梁桥的设计计算 波形钢腹板预预应力混凝土箱梁桥的总体受力与通常的预应力混凝土箱梁类似，其设计计算亦类似，故总体设计计算可用通用桥梁设计软件完成，唯因其剪力系由波形钢腹板承担，而关于波形钢腹板的剪切屈服、剪切屈曲问题，我国现有桥梁设计通用软件无此项内容，故需用日本有关规范、规准另行计算。关于钢板与混凝土顶底板的连接属钢混凝土组合结构设计内容，我国现亦缺乏相关设计软件。 如上述，波形钢腹板预预应力混凝土箱梁桥设计计算总体受力分析可分为纵向弯曲、横向框架、纵向扭转畸变等三部分。验算内容总体可分顶底板纵、横向承载力及应力验算、

20、波形钢腹板强度、屈曲验算、波形钢腹板与顶底板连接和波形钢腹板自身连接验算。波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥设计检算项目包括：设计荷载作用时的安全性、极限荷载作用时的安全性、疲劳的安全性、施工的安全性。 计算内容及计算流程总体设计框图波形钢腹板的剪切屈曲 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应力状态, 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。

21、 三种屈曲形式局部屈曲计算 ：剪切屈曲在低于剪切屈服应力以下不发生的条件为：整体屈曲计算 ：组合屈曲计算 ：剪切屈曲在低于剪切屈服应力以下不发生的条件为：设计追求s0.6，（屈服区） ：（非弹性区） ：（弹性区） ： 当s0.6时，若y时，波形钢腹不发生屈曲，材料强度可充分利用。当y205N/mm2时，组合屈曲强度为172N/mm2波形钢腹板PC箱梁桥简介 （1） 跨径布置 本设计主桥采用上、下行分离式桥梁。主跨跨径L1120米，边跨为L270米，L2/L1=0.58，总体跨径布置：70m+11120m+70m=1460m（2） 主桥箱梁 单幅桥上部为单箱单室箱梁，箱梁顶宽为13.5m，箱梁底

22、宽6.5米，翼缘悬臂长3.0m，悬臂端部板厚0.20m，悬臂根部板厚0.70m。 墩顶根部梁高7.0米，为主跨的1/17.14；跨中梁高3.5米，为主跨的1/34.29，梁高按2次抛物线变化；箱梁顶板厚0.30m；底板厚度0.250.80m，按二次抛物线变化。箱梁腹板采用波形钢腹板，钢材种类为Q345c，抗拉强度设计值200MPa、抗剪强度设计值120 MPa； 波长1.6m ,波高220 mm , 水平面板宽430mm，水平折叠角度 30.7，内径R为120cm，钢板厚度1018mm。典型横断面墩顶横断面 （3） 节段划分 本桥采用挂篮悬拼施工方式，节段划分及腹板厚度如上图： （4）预应力布

23、置 预应力筋采用低松弛优质钢绞线，钢绞线弹性模量取1.95105MPa，公称直径15.24mm，公称面积140mm2，标准强度1860MPa。每一节段施工时设2束或4束顶板束（15-19型），顶板共设32束。边跨顶板设4束（15-12型）合拢束，中跨底板设置14束15-15型预应力钢束，边跨底板设置了8束15-15型预应力束，合拢束与该跨桥合拢后张拉。 体外束用于承受活载，于成桥后穿索张拉。本桥中跨共设8束，边跨设4束，体外束采用15-19型成品索。体外预应力纵向布置体外预应力束横断面体外束减震装置 波形钢板的应用虽减轻了箱梁自重，但也部分降低了箱梁的抗扭刚度，为此在设计阶段作了专题研究，分别

24、应用MIDAS、ANSYS程序对最大悬臂阶段、成桥阶段做了动力模态分析、静力分析、比拟悬臂梁分析和空间受力性能的分析。 研究表明：本桥在悬臂或成桥状态下，设置了0、10横隔板时能较大影响波形钢腹板PC组合箱梁的抗扭性能，在此基础上再增加横隔板的数量对波形钢腹板PC组合箱梁抗扭性能影响不大。因此，本设计在墩顶、跨中合拢位置设置横隔梁，为安全和体外索转向需要，亦在约14跨处设置了横隔梁。横隔板的设置主桥下部结构设计 主桥与引桥的连接墩，每幅桥墩承台下设4200cm基桩，10号墩至21号墩为主桥主墩，每幅桥主墩承台下设6220cm基桩。墩身采用箱形截面，壁厚70cm。单幅主墩及主引桥连接墩承台混凝土

25、施工属大体积混凝土施工，设计中考虑了用冷却水管降温的构造措施，建议在施工中注意监控。由于桥位在冬季会有浮冰现象，因此在主槽内桥墩的迎水面设有破冰体，破冰体与主墩距离5cm，并设有钢板护面。日本长大公司对鄄城桥施工图设计的整体评价采用的设计方法正确，结构设计合理对于结构的安全性，由于还没有进行详细计算，尚不 能给出最终结论。目前，根据初步审查和分析可知，虽然个别的局部构造有待进一步深化和完善，设计中没有重大缺陷设计中的一些细部构造最好能进一步优化，比如，梁腋尺寸、预应力钢筋的锚固构造等5. 波形钢腹板PC箱梁桥的施工工艺 波形钢腹板预应力砼箱梁最基本的施工方法是采用挂篮悬拼，随着技术的进步，日本

26、最近于波形钢腹板预应力砼箱梁施工中利用波形钢腹板作施工受力构件，提出了所谓的Rap.con/RW工法（鬼怒川桥、津久见川桥、信乐七桥）及利用波形钢腹板作导顶推施工的方法（岛崎川桥）。日本游乐部川桥桥型布置图（施工方法：挂篮悬浇）悬臂施工法游乐部川桥-施工顺序日本游乐部川桥施工实景日本鬼怒川桥实景施工方法： Rap.con/RW工法鬼怒川桥中跨合拢顺序鬼怒川桥桥型布置图鬼怒川桥节段施工步骤（ Rap.con/RW工法）Rap.con/RW工法施工实例：信乐七桥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)，

27、施工节段重量较小，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），施工重量较大，力臂较小，波形板承受施工荷载顶推施工利用波形钢腹板作导梁的顶推施工方法岛崎川桥施工实景岛崎川桥顶推施工顺序日本波形钢腹板一般采用符合下列技术标准的钢材制作：JISG3101-1955 一般结构用轧制钢材JISG3106-1999 焊接结构用轧制钢材JISG3114-1998 焊接结构用耐久性热轧钢材常用钢板厚度8mm30mm，常用波形如下图： 1600型 1200型 1000型 波

28、形钢腹板的波形尺寸选择要考虑加工、运输、安装等因素，节段施工时亦要考虑节段长度、腹板厚度的变化及节段间的连接等因素。波形钢腹板的制作模压法特点： 可以用较短时间压制一个波长； 因为可以连续压制，故可能尽钢板长度制作（受运输长度限制）； 波形钢板长度受压力机能力制约； 按波形（波形、波高）要求制的压模需较多的资金。压波方法：模压法、冲压法压力模型压力加工模压法冲压法冲压法特点： 压制设备费用较省； 由于板材需多次反折移动，对厚、重的大板受到制作难度的限制； 因要进行材料的多次反折，压波作业效率低。 6. 波形钢腹板PC箱梁桥的经济效益 波形钢腹板预应力砼箱梁桥的最大特点就是用波形钢腹板取代了通常

29、的砼腹板，其最直观的优点是约占砼箱梁重量的2025%的砼腹板被轻量化了。箱梁自重减轻了20%左右，箱梁自重的减轻最直接的效益是减少了上部构造自重内力，从而减少了上部构造混凝土、钢筋、预应力钢筋的用量。其造价降低约8-12。 箱梁自重减轻另一效益为下部基础工程量的减少。以鄄城黄河桥为例，其单幅主墩桩基础初步设计为62.2m长100m，施工图设计时优化成波形钢腹板连续箱梁后同一单幅主墩桩基础更改为62.2m长80m，桩长缩短了20%。项目类 别单位砼腹板波形钢板增减数量摘要混凝土模板钢筋m3m2t2148.46841.3285.941680.75558.0257.02-467.7-1283.3-2

30、8.927ck=40MPaSD345预应力钢筋体内索体内索粗钢筋32DW体外索KgKgKgkg-5904636510-47905-14727+47905-59046-36510+14727主钢丝SWPR7BL 12S12.7主钢丝SWPR7AL 12S12.4主钢丝32SBPR 930/1 180 DW主钢丝SWPR7BL 19S15.2桥面板横向预应力钢筋桥面板横向预应力钢筋DW横梁横向预应力钢筋横梁横向预应力钢筋DW竖向粗钢筋KgKgKgKgKg-20843-1586436616870-1663-+16870-20843+1663-1586-4366后期粘结钢筋SWPR191S28.6横向

31、32SBPR 930/1 180 W横向32SBPR 930/1 080横向32SBPR 930/1 180 DW垂直钢筋32SBPR 930/1 180DW波形钢板SM490YB特殊规格t-120.3+120. 3日本本谷桥砼腹板与波形钢腹板方案材料数量对比 日本1998年建成的本谷桥（设计跨径为44.013m+97.202m+55.978m），设计中对钢腹板箱梁方案与混凝土腹板箱梁方案作过同深度设计对比，两个方案材料用量对比如下表。若用本桥主桥上部砼综合单价3140元/m3与我国已建两座试验桥波形钢腹板综合单价9000元t（含涂装）作计算对比，-467.7m33140元/m3+120.296t9000元/t，则以日本本谷桥为例应用波形钢腹板可降低造价385,914元（人民币）。部位主要材料单位施工图设计初步设计节省值节省比例123455-64/5上部C50砼m3329813812051390.865波形钢板t27230-2723-体内束钢绞线/p>