突破300米跨度——波形钢腹板连续梁桥创新设计与应用

从20世纪90年代，波形钢腹板组合桥被引入至今，我国对该类桥进行了不断的创新与突破，已形成自具特色的发展路线，总体技术水平已进入创新和超越时代。

据不完全统计，我国已建和在建波形钢腹板桥有149座，其中主跨≥120m有45座，成为继日本之后世界上第二个广泛应用波形钢腹板组合桥的国家。我国波形钢腹板组合桥市政桥和公路桥两者数量大致相当，桥型以连续梁为主，占桥梁总数的84.1%；单跨跨径主要集中在30～160m，当单跨跨径超过160m时，常采用矮塔斜拉桥或斜拉桥。山西运宝黄河大桥主跨200m，是我国已建成跨度最大的波形钢腹板组合桥；伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥是我国“一带一路”倡议实施中先进核心技术输出的典范工程；合肥南淝河特大桥横向由19m(辅道)+26m(主车道)+19m (辅道)三幅桥面组成，是我国已建成桥宽最大且首次大规模使用耐候钢的波形钢腹板组合桥。

图1 鄄城黄河公路大桥

（跨径：70+11×120+70）

图2 山西运宝黄河大桥

（跨径：110+2×200+110）

图3 伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥

（跨径：83+153+83）

图4 合肥南淝河大桥

（跨径：92～98+153+92～98）

目前，我国已在波形钢腹板弯曲性能、抗剪性能、扭转性能、屈曲性能、剪力滞效应、动力与抗震性能、疲劳性能，以及波形钢腹板连接件研究等方面积累了一定的理论成果，设计方法也逐渐完善。出版了《波形钢腹板PC箱梁桥设计·施工指南》《波形钢腹板预应力混凝土桥设计与施工》《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》《波形钢腹板设计与制造》等相关专业书籍。并颁布了国家行业标准《波形钢腹板组合梁桥技术标准》CJJ/T 272-2017、交通运输部标准《组合结构桥梁用波形钢腹板》JT/T 784-2010，以及7部地方标准。

某无预应力波形钢腹板组合梁桥

工程概况

位于深南大道和彩田路交汇处的彩田路跨线桥采用无预应力波形钢腹板组合梁桥，其上跨深南大道及既有地铁2、11号线和地铁10、14号线的4线换乘站，要求轻型化、装配化，架设速度快，交通干扰小；且其桥墩与车站顶板主梁刚结，节点设计复杂；又位于市政府旁，位置重要，景观要求高、施工周期短、噪音小、绿色环保。

方案比选

由于换乘车站中庭盖板覆土厚1.7m、结构跨度大，为减少对车站结构的影响，该桥宜结合车站框架柱调整跨径，将墩柱落在框架柱所对应的框架梁上，盖上墩台宜采用托梁结合式结构。方案一桥梁跨度51.2m，墩柱落在中庭大跨框架柱所对应的框架梁上；方案二桥梁跨度72m，墩柱落在配跨框架柱所对应的框架梁上。

从表2、表3中可以看出，方案二虽然增大了桥梁跨径和墩柱轴力，但减小了下部车站框架柱之间的轴力差、弯矩差，使车站结构受力更均匀，故选用方案二。

桥梁结构设计

综合考虑结构受力、城市景观、管线拆迁和经济效益等因素，采用无预应力波形钢腹板组合梁桥，如图5所示。桥梁跨径为（54+72+48+36+32.25）m，横向分左右两幅布置，单幅桥宽13.25m；主梁采用波形钢腹板钢-混组合连续梁，钢-混组合桥面板平钢底板结构，单箱双室，单室宽度4.6m，如图6所示。第1-3跨梁高2.0m（跨中）-3.4m（根部），采用2次抛物线变化，第4、5跨为2.0m等高梁。波形钢腹板厚度为14～16mm，波形为1600型，波板水平幅宽430mm、斜幅宽430mm、斜幅水平方向长370mm、波高220mm，采用三波连续模压成型。桥墩采用钢管组合柱式墩，墩底与车站盖板设置的型钢混凝土转换梁（托梁，截面尺寸2.5 m×3.5m）刚接，墩顶设置支座与组合梁连接，如图7所示。支座仅传递竖向轴力和水平力，不传递弯矩；下部车站结构设计时，仅需将该竖向力和水平力标准值参与车站荷载不利布置，传力清晰，计算简单。

图5 某无预应力波形钢腹板桥立面图

图6 钢-混组合桥面板平钢底板结构

图7 墩底与车站盖板连接大样

经济比选分析

从表3可以看出：波形钢腹板组合梁的自重最小，是钢箱组合梁的0.926倍、混凝土箱梁的0.651倍；波形钢腹板组合梁无需使用预应力筋，钢材（钢板、钢筋）用量是钢箱组合梁钢材（钢板、钢筋、预应力筋）的0.838倍；故波形钢腹板组合梁优势突出，自重小外形可做到轻巧美观，无预应力筋方便施工与运维，从而达到安全可靠、经济合理、技术先进、整体美观、运维方便。

国内首座波形钢腹板混合梁桥

工程概要

深圳东宝河新安大桥是国内首座波形钢腹板混合梁桥，大桥位于深圳沙井与东莞长安之间的东宝河上，如图8所示。桥梁线位与水流主流方向斜交角约35°，为满足桥下通航及防洪要求，主桥采用（88+156+88）m变梁高波形钢腹板连续箱梁；主跨支点处梁高8.3m，按1.6次抛物线过渡到跨中梁高3.5m，跨中49.6m范围梁段采用钢底板结构代替混凝土底板，如图9所示。桥梁横向布置为双幅桥，单幅宽16.25m。桥墩采用柱径为6米的独柱式空心圆柱墩，群桩基础，承台厚6m，钻孔灌注桩直径250cm。

图8 深圳东宝河新安大桥

图9 主跨跨中构造图

优化设计

由于大跨径连续梁悬臂挂篮施工时，中墩处负弯矩和剪力均较大，导致该处混凝土易开裂、腹板易屈曲、连接件难设计等问题。该桥由于受通航及高压线限值，箱梁根部梁高偏低（高跨比1/18.8），进一步加剧了上述问题。为减轻结构自重，降低中墩墩顶负弯矩和剪力，主跨跨中正弯矩区将混凝土底板改为平钢底板，并采用全桥传统波形钢腹板组合梁、波形钢腹板-钢底板组合梁，主跨跨中段分别为49.6m、73.6m和100m，全桥传统预应力混凝土箱梁五种结构方案进行模态分析和对比研究确定钢底板的最优长度。通过对比看出：当波形钢腹板-钢底板组合梁主跨跨中段49.6m长为平钢底板时，其模态指标最优，故选用跨中49.6m范围梁段采用钢底板结构代替混凝土底板。

根据波形钢腹板组合梁空间受力的特点，分别采用系杆有限元模型和三维有限元模型进行比对，结果如表4、表5所示，优化效果显著。

超大跨径波形钢腹板组合梁桥试设计

世界上已建成最大跨度的PC（加轻质混凝土）梁桥为挪威的Stolma桥（主跨301m），排名如表6所示；目前在建的波形钢腹板梁桥跨度最大的为曹娥江大桥（主跨188m），该跨度远小于已建的PC梁桥的最大跨度，波形钢腹板组合箱梁自重轻、预应力效率高，理论上跨径可以超越PC梁桥。箱梁结构自重，特别是跨中箱梁重量是影响大跨径梁桥跨度增长的一个重要因素，因此可通过计算箱梁自重集度比对判断波形钢腹板梁桥跨越能力。

为了便于比较，假设箱梁截面宽度、高度相同（宽19m、高4.5m），对混凝土箱梁、波形钢腹板箱梁、钢箱梁和平钢底板-波形钢腹板箱梁的自重集度进行对比。假定混凝土箱梁每延米的自重集度为P1，则波形钢腹板箱梁自重集度约为0.83P1，钢箱梁自重集度约为0.30P1，平钢底板-波形钢腹板箱梁自重集度约为0.65P1。故波形钢腹板箱梁自重是混凝土箱梁自重的83%，且波形钢腹板箱梁又有预应力效率高等优点。故可认为，波形钢腹板混凝土梁桥可以实现并超过目前已建的混凝土连续梁桥的跨度和规模。

采用普通混凝土修建的主跨270m国内某大跨度桥，尽管跨度仅列在第六位，但是其墩顶负弯矩数值是最大的，最大负弯矩达到400万kN·m，为负弯矩极限承载力控制设计。主跨330m的长江某大跨度桥是采用普通混凝土箱梁与钢箱梁组成的混合结构，由于钢箱梁自重集度约为混凝土箱梁自重集度的30%，通过在跨中设置长度为103m的钢箱梁，使得该桥箱梁根部负弯矩小于主跨270m的国内某大跨度桥墩顶负弯矩，实现了该桥梁设计方案在技术和造价上的可行性。表7列举了大跨度波形钢腹板箱梁桥设计方案与现有的国内某大跨度桥、长江某大跨度桥的弯矩比较，负弯矩大致相当，技术可行。

试设计波形钢腹板PC连续梁桥上部结构采用三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥，跨径布置为：150+360+150，主跨由三段120m变高度波形钢腹板箱梁+120m等截面钢箱梁+120m变高度波形钢腹板箱梁组成。边跨主梁采用150m变高度波形钢腹板箱梁结构，主墩采用混凝土双薄壁矩形空心结构，其立面布置如图10所示。

图10 试设计桥梁立面布置图（单位:m）

箱梁顶板宽16.4m，底板宽9.1m，墩顶梁高18m（高跨比1/20），跨中钢箱梁段梁高为4.8m（高跨比1/75），其间梁高按1.6次抛物线过渡。波形钢腹板箱梁采用单箱单室变高度截面形式，钢箱梁采用单箱双室等高度截面形式。边跨设置3道混凝土横隔，中跨设置6道混凝土横隔（钢梁段除外），横隔板厚0.5m。波形钢腹板采用1600型，波高220mm，板厚根据腹板承受剪力的大小及剪切屈曲强度确定。

通过对主跨360m波形钢腹板梁桥试设计方案整体计算，并与某实桥主要材料对比，如表8所示，可以看出，试设计方案可行、经济效益好。

从计算结果可知，波形钢腹板的抗剪强度满足规范要求，但剪切稳定性较难控制，故屈曲稳定性是制约波形钢腹板梁桥跨径增大的主要因素之一。提高波形钢腹板整体屈曲稳定，在技术上可以采取设置混凝土里衬，设置水平横隔板，开发大尺寸波形钢腹板（2400型、2800型）等措施。在计算理论上可加强材料的非线性研究，为波形钢腹板屈曲设计进入非弹性区提供理论依据等。

（1）波形钢腹板组合梁是在普通PC梁的基础上发展、改进的一种组合结构，从根本上避免了普通PC梁桥腹板开裂病害问题，合理利用钢与混凝土两种材料，减轻结构自重并改善结构力学性能，具有良好的经济性、抗震性和可施工性等优点，成为现代PC梁桥的一个主要发展方向。

（2）我国经过多年理论研究和工程实践，波形钢腹板梁桥得到迅速发展，规模及跨径均超越国外同类型桥梁。基于传统波形钢腹板梁桥基础上创新的无预应力波形钢腹板组合梁桥、波形钢腹板混合梁桥，取消了钢底板箱体内的预应力筋，既减轻桥跨自重，又方便施工，降低工程造价，为波形钢腹板梁桥创新与发展奠定了扎实的基础。

（3）通过超大跨径波形钢腹板梁桥试设计，并与同等规模PC梁桥对比发现：波形钢腹板梁桥跨径可以超过300m；与其他桥型比较，具有良好的经济性和耐久性。但超大跨径波形钢腹板梁桥还需在结构动力性能、腹板稳定性、施工工法等方面开展进一步研究。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年 第5期 总第103期

作者 / 陈宜言

作者单位 / 福州大学土木工程学院

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 李诗韵

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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