波形钢腹板预应力混凝土桥的创造性应用

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥《波形钢腹板组合梁桥2017)2.1.1款：波形钢腹板组合梁桥composite腹板为波形钢板并通过抗剪连接件使腹板与混凝土顶板、底板共同受力的钢-混凝土组合梁桥。混凝土顶板混凝土顶板混凝土底板体外索体内索波形钢腹板PC波形钢腹板PC箱梁桥的优点(与一般PC箱梁桥比较)波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比传统PC箱梁桥更好的力学性能和优点：

箱梁自重减轻10~30%,从而减少了恒载，降低了地震力，减小了恒载内力，上、下部工程造价均有降低；

波形钢腹板的折绉效应一是降低了腹板抗压刚度，从而提高了顶底板预应力效率，二是加大了腹板抗剪切屈曲刚度，节省了钢村，提高了腹板抗剪能力；

充分发挥各种材料的性能：混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪，截面回转半径最大，结构受力更加合理；

部分体外索的应用，有利于结构整体承载力调整提升与病害处理，从这个方面讲，可提高结构耐久性；

造型美观、施工方便，提高了建设速度等。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，在桥梁名构造形式桥长跨径布置(m)Cognac桥(法国)满堂支架3跨连续(德国)悬臂施工3跨连续矢作川桥(日本)悬臂施工日见梦大桥(日本)悬臂施工3跨部分斜拉桥91.8+180+91.8安威川桥八跨连续钢构桥匈牙利M43高速公路宫家岛高架桥(日本)53.0+3×52.0+58.5+60.0十(中国援建)悬臂施工3跨预应力连续梁波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用波形钢腹板预应力砼箱梁桥在国外的应用德德国Altwipfergrund桥(81.5m+115m+81.4m)已建成的最宽的银山御幸桥(耐候钢)本谷桥(44m+97.2m+44m连续刚构桥)银山御幸桥(耐候钢)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+11×120m+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。我国在建、已建的波形钢腹板PC桥桥名桥面宽(m)箱式设计深度与工程进展鄄城黄河公路大桥单箱单室已建成山西运宝黄河大桥主34m副单箱五室/双幅单箱单室已建成台中生活圈4号线大里单箱三室已建成单箱单室4.5~15.1m设计中南昌朝阳赣江大桥单箱多室郑州朝阳沟大桥单箱四室郑州常庄干渠桥单箱单室单箱单室单箱单室南昌南外环赣江大桥单箱双室单箱双室/单箱三室鄄城黄河公路大桥(70m+11×120m+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。重庆马鞍石嘉陵江大桥主桥设计为146+2×250+146m,四跨波形钢腹板预应力混凝土连续刚构桥，跨桥名混凝土(m³/m²钢筋(kg/m²钢板(kg/m²预应力(kg/m²鄄城黄河桥深圳平铁桥桃花峪黄河桥跨大堤桥珠海前山河大桥伊朗BR-06桥2×13.1m1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。2017年11月28日，住房和城乡建设部颁发了中华人民共和国行业标波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥性波形钢腹板波形钢腹板PC桥的经济性波形钢腹板PC桥的经济性体现于四方面：①工程造价节省②施工效率提高③避免了大跨度PC桥常见病害④减隔震措施精简。下表为山东德商高速公路鄄城黄河桥主桥70m+11×120m+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%。(普通PC)123456上部波形钢板t0-—体内束钢绞线t体外束钢绞线t0φ32mm精轧螺纹钢筋t0波纹管m锚具孔tR235钢筋t0下部tR235钢筋t●主桥采用70m+11×120+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。单位砼腹板波形钢板增减数量摘要混凝土模板钢筋t预应力钢筋体内索体内索体外索主钢丝φ32SBPR930/1180桥面板横向预应力钢筋桥面板横向预应力钢筋横梁横向预应力钢筋竖向粗钢筋一+1663-1586-4366后期粘结钢筋SWPR191S28.6横向φ32SBPR930/1180W横向φ32SBPR930/1080横向φ32SBPR930/1180DW垂直钢筋φ32SBPR930/1波形钢板SM490YB特殊规格t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%工序波形钢腹板PC结合梁一个悬常规PC梁一个悬浇节段(荆岳长江公路大桥)/d桁车或挂篮前移波形钢腹板安装一模板就位、标高调整1钢筋安装(含预应力)2混凝土浇筑混凝土等强55梁端张拉压浆其他因素合计8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接波形钢腹板(a)Twin-PBL键连接(b)S-PBL+栓钉连接(c)栓钉连接(d)角钢剪力键连接(e)S-PBL键连接(f)埋入式连接连接种类结构特点埋入式连接波形钢板直接埋入混凝土顶、底板；桥轴方向的水平剪力由波形钢板斜幅间混凝土块，(亦称抗剪齿键)与焊接于钢板顶端的约束钢筋(亦称连接钢筋)及与桥轴成直角方向的贯穿钢筋和混凝土销承担；与桥轴成直角方向的角隅弯矩由埋入波形钢腹板和与桥轴成直角方向的贯穿钢筋与混凝土销承担；由于系在混凝土中直接埋入钢板，故从耐久性观点考虑，在其界面上要注意密封。角钢剪力键连接在波形钢板上下端焊接翼缘板，再在翼缘板上焊接角钢和U形钢筋；桥轴方向剪力由角钢、U形钢筋承担。与桥轴成直角的角隅弯矩由角钢、U形钢筋和穿过角钢的桥轴方向的贯通钢筋承担。连接在波形钢板的顶端焊接翼缘板再在其上焊接两块带孔钢板；桥轴方向水平剪力由填充在孔内的混凝土销及穿过孔的贯穿钢筋承担：与桥轴成直角方向的角隅弯矩由填充孔的混凝土销与穿孔的贯穿钢筋抵抗。S-PBL+栓钉连接波形钢板的顶端焊接翼缘板再在其上焊接一块带孔钢板并焊植栓钉；桥轴方向水平剪力由填充孔的混凝土销及穿过孔的贯穿钢筋以及栓钉承担；与桥轴成直角方向的角隅弯矩主要由栓钉承担；开孔板属开敞构造，多采用与底板的连接。栓钉连接在波形钢板上下端焊接翼缘板再在其上植焊栓钉；桥轴方向水平剪力由栓钉剪切力承担；与桥轴成直角方向的角隅弯矩由栓钉抗拉力承担。常用剪力连接键经济比较表(跨径100m)连接键类型栓钉其他合计(元)单价(元小计(元)单价(元/小计(元)元规格延米重规格延米重埋入式0000栓钉0070角钢00000注：1、表格内"规格"单位均为mm;2、翼缘板平均厚度均考虑为18mm,宽度为450mm;3、埋入式连接件考虑钢板厚度均厚为20mm;4、栓钉型号φ19长200mm,横向5排、纵向间距100mm;5、角钢连接键用等边角钢，长300mm、纵向间距300mm;6、其他含埋入式结合钢筋与止水带、角钢焊接钢筋，钢筋直径均为28mm;7、价格数据来自波形钢腹板加工企业；第二东名高速公路青木川桥第二东名高速公路青木川桥青木川桥(62m+110m+120m+125m+125m+80m,桥面宽21.65m)第二东名高速公路青木川桥第二东名高速公路青木川桥新名神高速公路安威川桥1065016900主梁断面形式对比判定①コンクリートウェブ2室箱げた巴/m2②ストラット付きコンクリートウェブ箱げた◎③ストラット付き波形鋼板ウェブ箱げた波形钢腹板和钢翼缘板宜采用碳素结构钢或低合金高强度结构钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强。在选用时，应综合考虑结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等。桥梁用结构钢多用于铁路桥梁的主要受力构件，同等级的低合金高强度结构钢与桥梁用结构钢的性能指标差别不大，但价格具有一定的优势。(元)(万元)总费用(万元)无0従来工法张出床版受け梁n下床版受け梁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(110t),挂篮受时n-1、n、n+1三个节段，n+1节段波形板工n-1节段顶板施工，受力情况：挂篮较轻(75t),挂篮受力时力臂较小，波形板序号工序名称时间1挂篮行走0.25天2调整模板、底板和顶板0.25天3绑扎钢筋，安装预应力管道1.5天4浇筑混凝土，养护；安装钢腹板(包括安装钢腹板，焊接，安装花架)3天(包括夜间，大于36小5穿束，张拉，压浆1天6其他因素0.5天7挂篮行走项目SCC工法120.5天3455天62.5天7合计表2经济性对比项目措施费每套挂篮需型钢约80t,全桥共8套，按7500元/吨的到场综合价计算，需480万元；安、拆费按1500元/吨计算，共计每套挂篮仅需型钢约30t,全桥共8需180万元；安、拆费按1500元/吨使用SCC工法后，该项元工费砼浇筑等每节段施工周期约②现浇墩上块③挂模浇筑混凝土底板④安装预制顶板预制式装配波形钢腹板预制式装配波形钢腹板PC组合箱梁技术方案桥的抗震设计与动力性能实测桥型方案●桥梁按上下行错台分幅布置，单幅宽13.1m●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●下部为混凝土箱型墩、扩大基础/群桩基础)活动支座。加速度时程曲线加速度时程曲线时(影)加速度时程曲线加速度时程曲线伊朗地震局提供6条加速度时程用于E2地震作用下的验算，其中19781084-1横向加速度时程(1978年)1084-1纵向加速度时程(1978年)依据《伊朗公路、铁路桥梁抗震设计标准》、中国《公路桥梁抗震设抗震设防标准为“对中、低级的地震没有重大损失，在强震时不倒塌”;时程分析计算中选用了7条人工合成地震波作为E1水平地震验算；以有效的减隔震措施有效的减隔震措施在结构设计中，我们采用了三项措施应对BR-06桥严酷的抗震设计要●采用波形钢腹板预应力混凝土连续箱形连续梁减小地震作用效应。●采用摩擦摆减隔震支座控制水平地震力。●采用粘滞阻尼器加大强震时阻尼控制水平位移。结合BR-06桥抗震设计，我们作了《高烈度地区波形钢腹板预应力混凝土抗震性能》专题研究，用结构模态分析理论与试验方法对BR-06桥抗震性能作了较系统研究。鉴于BR-06桥地处高烈度地震区，为论证抗震设计的合理性及确保大桥运营过程中地震作用时的安全，我们拟结合大桥的竣工验收，开展桥梁结构动力模态检测，并将其作为后续课题“桥梁结构动力模态健康监控"之初始样本开展大桥工程质量(特别是抗震性能)的长期监控。(a)调试仪器频率(Hz)误差(%)阻尼比竖向12345横向343.2136纵向扭转竣工合龙后桥梁动力模态检测·实测BR-06桥动力模态、动力模态参数(模态参数-物理参数),据之·据修正后动力模型求得BR-06桥竣工验收时结构振动模态(竣工模态),以之作为运营监控用结构动力模态样本。桥梁结构模态对比运营过程中BR-06桥的动力模态(结构性能)监控结果与样本对比，分析BR-06桥动力性能(结构)、性能变化，进而判由结构动力学知：N个自由度的结构有N个自振频率，相应每个频率有一个特定的振型。将这N个自振频率及相应的振型，按频率由小到大排列，即得出该结构的振动模态(动力模态或模态)。由于结构模态是结构本身的物理属性，且较全面地反映了结构的力学性能，因而受到工程界的普遍重视。形成了以模态理论分析与试验分析为主旨的理论结构模态分析与试验结构模态分析两套模态分析技术。数(模态质量、模态刚度、模态阻尼)来分析结构振动，为理论模态分析。用监测仪器实测结构振动的模态参数，进而描述结构振动模态，求得结构振动的物理参数，据之进行结构振动性能分析与结构设计修改与优化(动力修改),为实验模态分析。基于结构振动理论的模态分析与试验技术，于上世纪八十年代吸取了信号分析、数据处理、数理统计、自动控制理论中相关技术，凭借计算技术的发展，在多个工程领域中，获得广泛、有效的应用。导致结构物理参数的变化，并反映于结构振动模态的变化。其应用始于必然引起结构模态参数的改变，由此基于模态参数的变化，可以确定结人工神经网络是以生物神经系统为基础，通过模拟人脑神经系统来研究客观事物规律的方法。神经网络以较强的的学习能力，非线性交换和并列运算能力，对噪声容错处理能力和卓越的模型识别能力而受到普遍上世纪九十年代出现的环境模态分析，即利用环境激励实测结构振动的响应数据，据之作处于运行状态下的模态分析、模态识别。因其实际操作的简便，理论分析的严谨，实测成果的可靠而受到工程界的青睐。由环境激励结构模态分析导出的随机子空间模态参数识别，使这一技术得以在国内外多座桥梁健康监控中得到成功的应用。桥梁结构模态的实测，传统方法是通过设于桥上的传感器(位移、速度、加速度)拾取结构振动信号而获得，然采用有线传递这些信号的方法一般均会引入大量噪音而影响其分析精度。而全球卫星定位系统(GNSS)用于桥梁振动检测，由于各测点独立、同步性强、全天候作业、操作方便，故而在近20年得到迅速发展。卫星系统(GalileoNavigationSatelliteSystem,Galileo)和中国的BeidouNavigationSatelliteSyste①卫星星座与赤道倾角55度且均匀分布，卫星高度星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。北星(GEO)和38颗非地球静止轨道卫星(35颗中最早桥梁健康监控以控制断面的应力、应变、挠度为监控目标，通过对预埋元件的监控实现对桥梁健康的监控。这一监控系统的缺点是：①监控目标以静力参数(应力、应变、挠度等)为主，反应的往往是结构局部性能。②当荷载传力路径与损伤部位不一致时很难识别损伤。③以预埋元件为检测手段而元件寿命远较结构寿命低。④在线实时监控很难实现：一是海量数据的判别，二是很难捕捉超载运行的时刻。⑤为在线实时监控需耗较大人力、物力。基于卫星定位技术的桥梁结构动态监控始于20世纪90年代，近年来发①监控目的为结构整体(动态监控初以频率、变形为目标进而发展到以动力模态为目标，而结构动力模态涉及的却是结构整体性能)可反映②可以作环境激励监控，没有预埋件的寿命问题，却有监测元件随技GNSS桥梁结构模态健康监控基本概念GNSS桥梁结构模态健康监控基本概念③通过卫星定位系统可以作全天侯、无人职守的数据采集与发送，故可节省大量人力、物力。④卫星定位系统可作为实现各种传感器集成的基本设备从而便利结构以结构模态为监控目标，以GNSS为监测手段，以模态分析为理论基础的桥梁健康监控称为GNSS桥梁结构模态健康监控。项目结构模态健康监控结构总体力学性能少有限量小无预埋元件，更可靠检测费用波形钢腹板预应力混凝土桥源自预应力混凝土桥。因波形钢腹板的应用，其自重较预应力混凝土桥轻，故能达较预应力(1)波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥顶底板抗弯能力。(2)波形钢腹板预应力混凝土梁根部抗剪能力。序号桥名国家建成年代跨径(m)1中国234中国5苏通长江大桥辅航道桥中国6云南红河大桥中国789中国中国序号桥梁类型负弯矩备注1混凝土箱梁2混凝土箱梁+钢箱梁345波形钢腹板箱梁+钢底板箱梁跨中采用钢底板-折腹箱梁箱梁1(自重集度P1)箱梁2(自重集度P2)箱梁3(自重集度P3)负弯矩方案1内衬折腹箱梁1+折腹箱梁2+折腹箱梁3内衬折腹箱梁1+折腹箱梁2+钢底板箱梁3内衬折腹箱梁1+折腹箱梁2+钢箱梁3内衬折腹箱梁1+钢底板箱梁2+钢底板箱梁3内衬折腹箱梁1+钢底板箱梁2+钢箱梁3双层折腹箱梁1+折腹箱梁2+钢底板箱梁3双层折腹箱梁1+折腹箱梁2+钢箱梁3双层折腹箱梁1+钢底板箱梁2+钢底板箱梁3双层折腹箱梁1+钢底板箱梁2+钢箱梁3组合底板箱梁1+组合底板箱梁2+组合顶板箱梁3哪2④uu试设计桥梁(A)苏通长江大桥辅航道桥(B)桥宽(m)桥长(m)桥梁面积(m²)C60混凝土(m³)钢材(t/m²)0预应力纵向钢绞线(kg/m²)横向预应力(kg/m²)竖向预应力(kg/m²)体外钢绞线(kg/m³)预应力MQMQMQ跨中00项目跨径布置(m)/1混凝土(m³)钢筋(t)混凝土(m³/m²)钢筋(kg/m²)试设计桥梁自重轻、预应力材料使用效率高，经济性好。屈曲强度曲线屈曲强度曲线λs大跨度波形钢腹板桥研究大跨度波形钢腹板桥研究非加载边支承条件一边简支，一边自由一边固定，一边自由两边简支一边简支，一边因定若考虑板两端为嵌图，则上述178m为228m;265m为348m;355m为构造多块波形钢腹板共同受剪大号波形钢腹板箱梁加设水平加劲板说明已有相当试验结果计算方法待研究已有较全面设计整体受力待研究编性桥型：采用与既有桥对孔布置的变截面预应力连续刚构桥方案桥型：采用与既有桥对孔布置的变截面预应力连续刚构桥方案主桥跨径：(146+250+250+250+146)m;北引桥：4×40m,现浇箱梁；南引桥：4×30m+4×30m,现浇箱梁；方案混凝土m³预应力kg总重t较混凝土方案减轻百分比全波形钢腹板部分混凝土腹板位置荷载波形钢腹板梁桥部分波形钢腹板梁桥混凝土梁桥全钢腹板降低部分钢腹板降低剪力支点腹板自重活载1/8跨自重1/4跨自重1/3跨自重活载弯矩支点自重活载-5.0%跨中自重活载边墩墩顶温度作用挠度(mm)跨中收缩徐变项目节(元)各项费用比例公路公里四122403,000/1042.000项目节(元)各项费用比例公路公里四122403.000/1042.000项目节细目(元)各项费用比例公路公里四km122403.000/1042.000方案单价(万/m²)总投资(亿)部分波形钢板全波形钢板混凝土腹板项目预应力混凝土受力特点顶底板受弯最大剪力仍由混凝土段承担，但相对混凝土方案恒载剪力减小混凝土承受弯拉和预应力产生的截面主压应力，腹板承受剪力耐久性可以改善跨中下挠问题、腹板开裂问题可以改善跨中下挠、腹板开裂问题后期容易出现腹板开裂，跨中下挠等病害，施工工期整桥工期约38个月景观性增加了箱梁立体感，钢腹板整体结构仍为连续刚构桥，与既有桥结构形式统一，景观性一致钢腹板可涂装混凝土颜色或其他图案结构简洁，比例匀称，与既有桥结构形式统一，景观性一致经济性三个方案的经济性指标接近，相差在1%以内。技术可行性技术可行最近二十年应用逐步增加有配套规范及工程实例技术成熟最近二十年应用逐步增加有配套规范及工程实例技术成熟，难度不大。·钢-混组合桥面板的应用桥混组合桥面板桥混组合桥面板(现場配筋底钢板图钢混组合桥面板钢混桥面板最大跨度可达8m,钢板最小厚度6mm,钢混桥面板总厚度25/+110,加腋斜度1:3。钢管桥面板钢管桥面板检查底钢板变形肋的焊接底钢板的安装底钢板的连接(b)鉄筋配置完了時全景简图简图简图简图简图构造要点简图整力热费上织其铁型下K型：底钢板上焊有带