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波形钢腹板预应力混凝土桥在中国的发展
摘要：波形钢腹板预应力混凝土桥是一种相对较新的组合结构形式。自2005年以来，我国已经建造了40多座这样的桥梁，从简支跨到连续梁桥和大跨度斜拉桥。与传统的混凝土箱梁相比，它们的建造成本更低，重量更轻，预应力效率更高，但迄今为止，它们在英国几乎没有什么用处。本文介绍了波纹钢腹板桥的历史背景、结构特点和施工方法。提出了增量施工中提高施工效率和安全性的新技术，并对设计技术和未来发展趋势进行了讨论。
一、引言
波形钢腹板预应力混凝土桥最早是在法国发展起来的。近年来，随着2005年第一座带有长征人行天桥(CSWs)的预应力混凝土桥的完工，它们开始吸引中国工程师的注意。
虽然维修比传统的混凝土箱梁桥更昂贵，但这可能会被大幅减少的自重、更简单、更快速的施工以及更高的预应力效率所抵消。因此，中国已经建造了40多座这种结构类型的桥梁(表1) ，这是仅次于日本的世界第二高的桥梁数量。
中国现在已经制定了许多波形钢腹板预应力混凝土桥的设计和施工规范。随着工程经验的积累和设计技术的进步，人们开发出了更长、更复杂的结构设计。
例如，珠海前山河大桥是一座三跨连续箱梁桥，最大跨度为160米，被认为是世界上最长的波形钢腹板预应力混凝土桥。南昌朝阳大桥的主航海桥是一座带有暗箱的组合箱梁斜拉桥，由6个桥塔组成，斜拉索布置在一个单索面内。
经过近十年的发展，我国在这种相对较新的组合结构的理论研究、设计和建造方面取得了巨大的进步。许多来自中国不同大学和研究机构的学者在基本力学性能、剪切和扭转屈曲、剪切连接器性能和动力特性方面做了广泛的研究。
本文概述了波形钢腹板预应力混凝土桥梁的特点，介绍了它们的基本性能，回顾了典型的施工实例，并报道了我国目前正在采用的新技术，旨在扩大世界各国对预应力混凝土桥梁的认识。
二、力学特征
图1显示了构成带有波形钢腹板的预应力混凝土桥的基本构件。传统预应力混凝土桥梁的混凝土腹板已被钢筋混凝土取代，而钢筋混凝土腹板只占桥梁静载的20-40% 。除了大幅度减少主梁的自重外，由于腹板的力学性能，这个系统还提供了优良的结构特性。
折叠钢腹板具有很强的抗剪力能力，但由于所谓的波形钢腹板的“手风琴效应” ，它们对轴向力或弯矩的抗力几乎可以忽略不计。因此，它们的轴向刚度大大小于混凝土板，以至于预应力几乎完全作用于混凝土翼缘。
由于提高了预应力效率，抗剪力能力得到充分的抵抗，因此在预应力混凝土桥上应用波形钢腹板在结构上是合理的。此外，工作努力是减少，因为模板和钢筋混凝土网被淘汰。
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- 弯曲性能
如图2所示，由于梯形手风琴效应的波形钢腹板箱梁的轴向刚度远小于混凝土板的轴向刚度，从工程角度来看可以忽略不计。因此，人们普遍认为弯矩完全由混凝土翼缘承担，而只有腹板承担剪力，剪力均匀分布在腹板高度。此外，准平面假设在这种结构中是有效的，即带有钢筋的梁桥的混凝土翼缘平面截面在弯曲后仍然近似平面。
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- 剪切性能
表一：2005年至2017年间在中国建造的波纹钢腹板预应力混凝土桥的细节
图1. 波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥的典型布局 图二：波形钢腹板力学性能
如图2所示，在箱梁中采用梯形波形钢腹板，可以提供比扁平钢腹板更高的剪切屈曲强度，从而可以省去加劲肋，减少钢材消耗。由于上述手风琴效应，腹板高度上均匀的剪应力分布(图3(c))使得梁的抗剪强度可以在不考虑弯矩-剪力相互作用的情况下测定。此外，梯形剪力墙的抗剪强度可能显著影响整个箱梁的极限抗剪承载能力。
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- 扭转性能
由于箱梁截面较小，箱梁的抗扭刚度约为普通箱梁的40% 。然而，这种复合材料结构的扭转机理更为复杂，因为混凝土翼缘和钢板都能抵抗外力作用的扭矩。请注意，混凝土翼缘可以继续携带扭矩，即使后屈曲(或屈服)的波形钢腹板。
因此，如图4所示，顶部和底部混凝土翼缘将形成封闭剪切流动，复合截面的剪切流动将不再是连续的。因此，在波形钢腹板翼缘中的剪切流量不等于钢筋混凝土翼缘中的剪切流量。一般情况下，组合截面的极限扭转能力可以通过定角软化桁架模型获得。
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- 屈曲性能
波纹腹板由于不稳定而发生剪切破坏。然而，我们已经研究了在剪力作用下的三种屈曲类型，即局部屈曲、整体屈曲和组合屈曲，如图5所示。理论上，局部屈曲涉及一个单一的平板或折叠; 整体屈曲涉及多个折叠，带扣可能延伸到整个腹板的深度，而组合屈曲涉及一个单一的平板和多个折叠同时进行。
由于不能期望波形钢腹板提供任何后屈曲强度，建议通过确认腹板在达到极限状态之前不会屈曲来设计这种类型的桥梁。
三、结构布置
图三：箱形截面梁的应力分布: (a)截面，(b)正应力分布，(c)剪应力分布
图四：截面上的剪应力分布: (a)在CSW屈曲或屈服前，(b)在CSW屈曲或屈服后
图五：波形钢腹板的屈曲模型: (a)局部屈曲，(b)整体屈曲，(c)组合屈曲
图六：波形钢腹板与混凝土板的连接类型: (a)螺栓连接，(b)角钢连接，(c)嵌入式连接，(d)单根钢筋混凝土板连接，(e) s-pbl 加螺栓连接，(f)双根钢筋混凝土板连接
- 波形钢腹板与混凝土翼缘连接
钢管混凝土板与混凝土板之间的连接是这种桥梁的重要组成部分，通过这种连接可以传递纵向的剪力，防止钢管混凝土板与钢管混凝土板之间的剥离。多剪力连接件已经开发出来，以追求最好的整体机械性能。如图6所示，节点结构可按剪力连接件的类型分类。
图7提供了中国29座设有暗箱的预应力混凝土桥的暗箱与波形钢腹板接缝类型的统计资料。如图所示，在小跨度桥梁中，混凝土板(包括上、下板)和钢筋混凝土连接板都广泛采用螺栓连接和嵌入式连接。
随着跨度的增大，上部混凝土板与波形钢腹板之间的连接主要采用双肋连接，而下部混凝土板的连接主要采用埋入式连接和角钢连接。因为不需要法兰板来安装剪力连接件，所以很容易解决安装过程中的任何误差。双肋连接和角连接比螺柱连接更加刚性和他们是相对便宜的，因为简单的焊接。
- 波形钢腹板的连接
由于加工长度的限制，加工过程中波形钢腹板需要相互连接。由于桥梁的预应力混凝土没有轴向力作用，因此不需要对腹板轴线进行校正。因此，可采用单剪摩擦接头和搭接角焊缝接头。与普通双剪摩擦接头和对接接头相比，这些接头的结构简单得多，从而有效地降低了施工工作量和成本。
波形钢腹板之间最常见的连接形式如图8所示。建议在腹板深度内相互连接的钢筋应采用对接连接方式进行相邻钢筋的纵向连接和水平连接。
- 混凝土外壳的波形钢腹板
众所周知，剪切屈曲是波形钢腹板梁桥设计中的一个关键问题，如上所示。相应地，为了提高大跨度桥梁的结构屈曲强度，中间支座附近的钢筋通常被包裹在距桥墩一定距离的混凝土内。图9显示了这个复合网络的示意图。
图8：CSW连接方式: (a)单剪摩擦接头，(b)双剪摩擦接头，(c)搭接角焊接接头，(d)对接接头
图7：CSW与上部混凝土板、下部混凝土板不同类型节点在我国的应用
图9：波形钢腹板与混凝土包装的布置
四、典型的建筑应用
- 长征人行天桥
长征行人天桥(图10(a))是全国首条设有波形钢腹板预应力混凝土的长征行人天桥。该桥于2005年建成，为18.5m 30.0m 18.5m 连续梁桥，单室箱形截面7米宽，高16m。为满足施工过程中的通航要求，在临时码头等临时支架上安装了该桥。
- 鄄城黄河公路桥
鄄城黄河公路大桥(图10(b))为13跨连续箱梁桥，总长1460米，最大跨度120米，阔13.5米。该桥建于2011年，采用悬臂施工方式，是世界上最长的带有波形钢腹板的预应力混凝土连续梁桥。采用特制的桁架定位安装波形钢腹板，先用螺栓临时固定，然后现场焊接连接。
- 楚河大桥
楚河大桥(图10(c))是我国第一座大跨度波形钢腹板钢箱连续梁桥，跨度为53m 96m 53m，双主梁均为单室箱形截面，宽度为1655m。它们是用悬臂结构建造的。为了解决施工过程中的板定位问题，采用数学方法对平面内的桥梁进行定位。
- 前山河大桥
前山河大桥(图10(d))为三跨连续箱梁桥。整体长340米，最大跨度为160米，双体单室箱体宽1575米，码头高95米，跨中40米。它建于2016年，是世界上最大的带有 波形钢腹板的连续箱梁桥。它有长方形的实体桥墩，每边都有独立的桩帽支撑，直径2.8米。钻孔桩。它是用悬臂施工建造的。
- 南昌朝阳大桥
南昌朝阳大桥(图10(e))为79米 5*150米 79米连续梁斜拉桥，截面为5箱形，总长1610米，最大跨径150米，宽43.8米。这座大桥于2015年建成，是世界上第一座采用波形钢腹板和双层桥面的多塔斜拉桥。塔柱看起来像汉字“ 合” ，意味着好运。它是用悬臂结构建造的。
- 朝阳沟大桥
朝阳沟大桥(图10(f))为四跨主梁组合箱梁拱背式桥樑。它有四个单元的盒子横截面。总长485米，最大跨度188米，宽35米。它建于2017年，是世界上跨度最大的拱背式桥樑，悬臂施工。
图10：中国波形钢腹板预应力桥的实例: (a)长征人行桥，(b)鄄城黄河公路桥，(c)楚河桥，(d)千山河桥，(e)南昌朝阳桥，(f)朝阳沟桥
图11. 采用传统施工方法建造波形钢腹板预应力桥梁: (a)悬臂，(b)完全支撑; (c)预制，(d)组合
- 新的建筑技术
我国采用波形钢腹板架设预应力混凝土的技术已经取得了长足的发展。施工方法与普通预应力混凝土梁桥相似，如图11所示的悬臂施工、全框架施工、预浇组装施工和非支撑现浇施工。
随着施工技术的进步，新的施工方法包括快速悬臂施工，以波形钢腹板作为承重构件(宁波市奉化河大桥和成都市头道河大桥)。以波形钢腹板为导梁(郑州市常庄水库高架桥)进行顶推也取得了成功。
- RW悬臂施工
传统的菱形挂篮悬臂施工方法在大跨度波形钢腹板暗箱桥梁中存在以下弊端
- 生产成本相对较高，因为篮子钢材量大，篮子的自重对主梁产生负面影响
- 传统菱形提篮结构复杂，在施工变形过程中，提篮变形难以控制
- 吊篮的高度限制了波形钢腹板的升降空间，增加了施工难度，延长了施工周期。
RW 悬臂施工采用波形钢腹板承担挂篮重量，提高材料利用率。简化了吊篮，重量比传统菱形吊篮轻得多。此外，顶板、底板和波形钢腹板的施工平台错开，大大提高了施工效率。
RW悬臂施工的施工步骤如下: 移动吊篮，安装 n 段底部钢筋和 n-1段顶部钢筋，n 1段波形钢腹板焊接暗箱，浇注混凝土翼缘(n-1段底部翼缘和 n-1段顶部翼缘) ，维护浇注混凝土和预应力筋，再移动吊篮(图12(a))。它比传统的菱形吊篮悬臂施工效率高得多 ，2015年首次在头道河大桥上采用，如图12(b)所示。
- 顶推
采用顶推法建造带有波形钢腹板的桥梁，其优点是梁下空间未被占用，因此架设不受地形和下方建筑物的影响。因此，它非常适合公路和铁路交叉口以及山区桥梁。
通常需要一个钢制导轨或者鼻梁来顶推混凝土桥梁。反之，对于带有波形钢腹板的桥梁，可以采用腹板作为导梁，从而降低了施工成本。也可以通过提前顶推密封条来消除波形钢腹板发射时通常需要的特殊预应力钢。该方法减少了顶推过程中的静载荷，从而简化了发射系统。
顶推完成后，进行下部板和横梁的施工。主梁截面通过施工上部板完成，最后利用体外预应力筋进行所需的预应力。在下翼缘安装预制预应力混凝土板作为永久模板，以流线型方式建造下翼板。因此，2014年郑州市常庄水库高架桥首次采用了这种方法，如图13所示。
图12：波纹墙（RW）悬臂施工：（a）施工阶段；（b）2015年头岛河大桥首次使用
图13:郑州常庄水库高架桥顶推施工
六、未来发展趋势
图15：我国波形钢腹板预应力连续刚构桥的发展
图14：中国和日本波形钢腹板预应力桥的分布（已建和在建）
趋势：（a）结构型式；（b）跨度
图16. 山西云宝黄河大桥首次使用耐候波形钢腹板钢
图14显示了中国和日本之间带波形钢腹板的桥梁的跨度比较。从图中可以看出，日本波形钢腹板主要采用的是跨度在50-100米之间，而中国的跨度则在150-200米之间。如前所述，我国已建成最大跨径的连续梁(前山河大桥)和带波形钢腹板的拱背式桥樑(朝阳沟大桥)。
图15显示了过去十年中国的发展趋势。起初，大多数桥梁的跨度小于50米，几乎都是简支桥梁。然后，随着工程经验的积累和设计技术的发展，开发了大跨度、复杂的波形钢腹板桥梁系统，如斜拉结构的组合桥梁。
此外，中国的带有暗箱操作的桥梁主要位于城市，由于美观问题，耐候钢的应用非常少。然而，耐候钢可以大大降低维护
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