1、波形鋼腹板PC組合箱梁橋內襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算探討江越勝1，孫天明2，仵云飛1（1.湖州市交通規劃設計院，浙江 湖州 313000；2.浙江中隧橋波形鋼腹板有限公司，浙江 杭州 311254）摘要：本文介紹了國內幾座波形鋼腹板PC組合箱梁橋內襯混凝土鋼混組合段構造, 通過對內襯混凝土鋼混組合段3種剪力分配計算方法的對比，研究了內襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算，為同類橋梁設計提供借鑒。關鍵詞：波形鋼腹板；PC組合梁橋；內襯混凝土；鋼混組合段；抗剪中圖分類號： 文獻標志碼：Discussion on Shearing strength calculation oflining concrete

2、steel-concrete composite section of corrugated steel webs PC combining girder bridge Jiang Yuesheng,Wu yunfei,suntianming(1.Huzhou Traffic plan and design Institute, Huzhou, Zhejiang, 313000；2.Zhejiang Tunnel and Bridge With Corrugated Steel Webs,Co.Ltd,china, Hangzhou, Zhejiang, 313000)Abstract: Th

3、is paper Introduced the domestic several corrugated steel webs PC combining girder bridge with concrete lining of steel- concrete composite section structure, through comparison with concrete lining of steel -concrete composite section 3 calculation methods of the shear distribution, studying on the

4、 concrete lining of steel-concrete composite section shearing strength calculation, to provide reference for similar bridge design.Key Word: corrugated steel webs；PC combining girder bridge；lining concrete；steel-concrete composite section；shearing strength1 引言波形鋼腹板PC組合梁橋是利用波形鋼腹板代替普通混凝土腹板組成的一種新型組合結構梁

5、橋。這種新型結構充分發揮各種材料性能：頂底板混凝土抗彎、波形鋼腹板抗剪，結構受力更加合理；腹板采用波形鋼腹板，有效解決了傳統PC箱梁橋腹板開裂這一常見病害，提高了腹板抗剪性能和結構耐久性；波形鋼板的手風琴效應，提高了預應力效率；用波形鋼腹板代替普通混凝土腹板，箱梁自重減輕20左右。波形鋼腹板PC組合梁橋源于法國，近年來在日本得到了深入的研究和廣泛的應用，已建和在建的波形鋼腹板預應力箱梁橋達200余座。目前國內有關高校及設計單位也對這種組合結構進行了研究和工程應用，已建、在建的波形鋼腹板PC箱梁橋達20余座。波形鋼腹板PC組合梁橋在墩頂部位附近的鋼腹板內側設置內襯混凝土，有助于剪應力的流暢傳遞，

6、增大鋼腹板的抗屈曲能力，緩和局部應力1。內襯混凝鋼混組合段受力復雜，下面通過對國內典型的8座波形鋼腹板連續梁橋內襯混凝土構造分析，選取1座橋梁嘗試對內襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算做研究分析。2 波形鋼腹板連續梁橋內襯混凝土構造設計國內跨徑較大的8座波形鋼腹板連續梁橋，內襯混凝土構造設計如下：表1 內襯混凝土段構造設計橋名跨徑(m)已建/在建支點/跨中梁高(m)橋寬(m)中支點附近內襯混凝土組合段長度(cm)根部厚度(cm)結束點厚度(cm)浙江湖州應界橋52+90+52在建5.8/2.813.56708029南京滁河大橋53+96+53已建6.5/3.016.554105555桃花峪黃河大橋75

7、+135+75在建7.5/3.516.0564040 30 邢臺南水北調大橋70+120+70在建7.5/3.514.0040036.530鄄城黃河公路大橋 70+11*120+70在建7.0/3.513.540043.536.5蘭州橋58+3*100+58在建6.8/3.212.053073.573.5深圳南山橋80+130+80未實施7.5/3.513.7572087.530深圳平鐵大橋80+130+80未實施7.5/3.513.54008030通過表1可見，墩頂部位兩側內襯混凝土的設置區間一般從0塊中橫梁側面起至掛籃懸臂澆注第一節段末，少數設置到0塊節段末；內襯混凝土厚度一般3080；除

8、南京除河大橋采用等厚度外，其余均采用變厚度；現有國內規范河南省地標公路波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋設計規范（DB41/T 643-2010）（以下簡稱河南地標DB41/T 643-2010）要求：內襯混凝土厚度不宜小于20。3 內襯混凝土鋼混組合段抗剪驗算當前，內襯混凝土鋼混組合段剪力計算方法有三種：1）波形鋼腹板承擔全部剪力，2）波形鋼腹板和混凝土二者按剪切剛度比分擔剪力，3）混凝土承擔全部剪力。下面以湖州應界橋為研究對象對內襯混凝土鋼混組合段的剪應力驗算做計算分析。計算選取主墩附近8個控制截面進行分析：39、41截面（支點中橫梁邊緣處截面），37、43截面（距支座中心約H/2處截面），34

9、、46截面（距支座中心約H處截面），32、48截面（內襯混凝土結束點截面），具體詳見圖1。圖1 應界橋內襯混凝土段構造圖采用Midas Civil有限元分析軟件整橋建模計算，上述控制截面的設計剪力 (從整體梁單元模型中提取)如表2所示，其中為考慮結構重要性系數（）的作用效應極限組合設計值，為作用效應標準組合設計值。 表2 鋼-砼組合段剪力（單位：kN）控制截面3234373941434648（極限組合）17416 18942 20439 22215 23881 22618 20867 19356 （標準組合）986511033 95961583011573 12555 11366 102171

10、4362159001482718492176131828716672151553.1 波形鋼腹板剪應力驗算理論波形鋼腹板的剪應力主要包括彎曲剪應力和自由扭轉剪應力2；根據河南地標DB41/T 643-2010，波形鋼腹板的剪應力驗算，應符合下列規定： （1）式中，彎曲剪應力；自由扭轉剪應力；鋼板抗剪強度設計值。彎曲剪應力按下式計算： （2）式中， 豎向剪力設計值（按作用極限組合計算）；預應力的豎向分力設計值； 同一斷面中第i個波形鋼腹板厚度；波形鋼腹板高度。自由扭轉剪應力按下式計算： （3）式中，組合箱梁所受的扭矩設計值；波形鋼腹板厚度；箱梁截面面積，為頂板與底板中心線之間的距離；，其中b1、

11、b2分別為頂、底板處鋼腹板中心線之間的距離。修正系數，；時，。3.2 內襯混凝土驗算理論根據河南地標DB41/T 643-2010，內襯混凝土主拉應力按下式計算： （4） （5）式中，內襯混凝土的主拉應力；內襯混凝土的軸向壓應力；內襯混凝土的剪應力；內襯混凝土承擔的剪力設計值（按作用效應標準組合計算）；內襯混凝土最小厚度斷面，剪應力計算點外側部分面積對中性軸的一次矩；內襯混凝土最小厚度斷面，相對斷面中性軸的二次矩；內襯混凝土最小厚度。根據計算所得的混凝土主拉應力，按下列規定設置箍筋3：在的區段，箍筋可僅按構造要求設置；在的區段，箍筋的間距置可按下列公式計算： （6）根據內襯混凝土承擔的剪力值，

12、對彎起鋼筋及箍筋進行配置，其斜截面的抗剪承載力計算應按規范JTG D62-2004的規定采用2；其斜截面抗剪承載力計算應符合下列規定3： （7）式中，驗算截面處內襯混凝土承擔的剪力設計值（按作用效應極限組合計算）；斜截面內混凝土和箍筋共同的抗剪承載力設計值，按規范JTG D62-2004公式5.2.7-2計算；與斜截面相交的普通彎起鋼筋抗剪承載力設計值，腹板內襯混凝土一般不配置彎起鋼筋，；與斜截面相交的預應力彎起鋼筋抗剪承載力設計值，內襯混凝土在計算其分擔的剪力值時先減去預應力作用效應，故此處。 其抗剪截面應符合下列規定3： （8）式中，混凝土強度標準值，C50混凝土fcu,k=50MPa；驗

13、算截面處內襯混凝土最小厚度；驗算截面有效高度。 3.3 波形鋼腹板承擔全部剪力根據波形鋼腹板預應力混凝土梁整體結構受力基本假定1：縱向彎矩由混凝土頂、底板承受，剪切由波形鋼腹板承受，且剪應力沿豎向均勻分布。對內襯混凝土鋼混組合段，沿用這一假定，保守考慮剪力全部由波形鋼腹板承擔。則控制截面波形鋼腹板的剪應力驗算結果詳見表3。表3 波形鋼腹板抗剪驗算結果 截面參數3234373941434648-KN14362 15900 14827 18492 -17613 -18287 -16672 -15155 KN4179 4452 4656 4959 -5938 -5840 -5568 -5304 16

14、161818.0 18.0 18.0 1818.0 3238 3480 3755 3600 3600 3755 3480 3238 Mpa139 143 110 143 -136 -135 -133 -130 690690690690.0 690.0 690.0 690690.0 4438 4708 5015 4850 4850 5015 4708 4438 30.62 32.49 34.60 33.47 33.47 34.60 32.49 30.62 -0.00 0.21 0.23 0.22 0.22 0.23 0.21 0.00 Mpa4.26 3.53 3.04 3.37 -4.04 -

15、3.81 -3.93 -4.81 +Mpa142.9146.3 112.7146.1 139.9139.1137.0134.8Mpa150150150150150150150150Yes/NoYesYesYesYesYesYesYesYes由表3可見，在承載能力極限狀態下，波形鋼腹板各截面的剪應力均在容許范圍，滿足要求。3.4 二者按剪切剛度比分擔剪力根據河南地標DB41/T 643-2010，在荷載作用下，內襯混凝土承擔的剪力值按其與波形鋼腹板兩者的剪切剛度進行分配。內襯混凝土及波形鋼腹板承擔的剪力分別按下列公式計算： （9） （10）式中，內襯混凝土承擔的剪力設計值；波形鋼腹板承擔的剪力設

16、計值；內襯混凝土的剪變模量；內襯混凝土的平均斷面面積；波形鋼腹板的剪變模量；波形鋼腹板的有效斷面面積，為波形鋼腹板的形狀系數；內襯混凝土鋼混組合段截面豎向剪力設計值，此處應采用-。剪切剛度分配波形鋼腹板與內襯混凝土分擔的剪力見表4. 表4 按剪切剛度分配計算二者的剪力和 截面參數3234373941434648-KN14362 15900 14827 18492 -17613 -18287 -16672 -15155 0.939 1.535 2.648 2.880 2.880 2.648 1.535 0.939 KN1.41E+072.30E+073.97E+074.32E+074.32E+0

17、73.97E+072.30E+071.41E+070.048 0.052 0.062 0.060 0.060 0.062 0.058 0.054 KN3.81E+064.09E+064.93E+064.76E+064.76E+064.93E+064.60E+064.28E+06比例-0.79 0.85 0.89 0.90 0.90 0.89 0.83 0.77 KN11306 13500 13189 16656 15864 16267 13893 11621 KN3056 2400 1638 1836 1749 2020 2778 3534 顯然，波形鋼腹板承擔的剪力<-，前面采用-驗算

18、波形鋼腹板的抗剪承載力，均滿足要求，故此處無需再行驗算。根據規范JTG D62-2004，對內襯混凝土抗剪驗算結果詳見表5。表5 內襯混凝土抗剪驗算結果 截面參數3234373941434648KN11306 13500 13189 16656 15864 16267 13893 11621 580882142016001600142088258047775076544955005500544950764777KN9992 16145 27904 31735 31735 27904 16145 9992 Yes/NoNOyesyesyesyesyesyesNOKN 13175 19541 30

19、009 33461 33928 30472 19980 13175 Yes/Noyesyesyesyesyesyesyesyes表中取，fcu,k=50Mpa，為二腹板之和；從表5可見，按照剪切剛度分配剪力，對內襯混凝土進行抗剪驗算， 32、48截面構造尺寸不滿足規范要求，截面抗剪承載力滿足規范要求。3.5 內襯混凝土承擔全部剪力沿用普通混凝土連續梁設計思路，假設混凝土承擔全部剪力，忽略波形鋼腹板的作用，對內襯混凝土抗剪驗算結果詳見表6。表6 內襯混凝土抗剪驗算結果 截面參數3234373941434648KN14362 15900 14827 18492 -17613 -18287 -166

20、72 -15155 m5808821420160016001420882580m47775076544955005500544950764777KN9992 16145 27904 31735 31735 27904 16145 9992 Yes/NoN0YesYesYesYesYesN0N0KN 13175 19541 30009 33461 33928 30472 19980 13175 Yes/NoN0YesYesYesYesYesYesN0可見，若考慮混凝土承擔全部剪力，32、46、48截面構造尺寸不滿足規范要求，32、48截面抗剪承載力不滿足規范要求。4 內襯混凝土組合段計算方法對比

21、方法一假設豎向剪力全部由鋼腹板承擔，驗算結果表明鋼腹板剪應力小于鋼材剪切屈服應力，結構抗剪承載力滿足要求，充分發揮鋼材抗剪性能。方法二假設內襯混凝土承擔的剪力值按其與鋼腹板兩者的剪切剛度進行分配。內襯混凝土分擔的剪力在75%以上，內襯混凝土結束點附近抗剪截面構造尺寸和抗剪承載力驗算不滿足要求。從驗算結果判斷，需加厚內襯混凝土的厚度；但若在結束點附近加厚內襯混凝土，結構剛度形成突變截面，勢必帶來更大的應力集中。結合方法一驗算結果判斷，方法二中截面尺寸驗算不能通過的截面，既使內襯混凝土損壞開裂后退出工作，鋼腹板的抗剪承載能力還是滿足要求的，不會出現安全問題。此時，內襯混凝土作為減小應力集中的構造措

22、施，一方面在滿足最小構造尺寸的前提下盡量減小結構剛度突變；另一方面應采取構造措施保證內襯混凝土與鋼腹板不剝離，其自身也不開裂，與鋼腹板形成一體共同受力。方法三沿用普通混凝土連續梁設計思路，假設混凝土承擔全部剪力，需要較厚的混凝土腹板截面，未考慮發揮鋼材的高強度抗剪性能，顯然不合理，設計不建議采用。5 結論綜合上述分析，對波形鋼腹板PC組合梁橋內襯混凝土組合段抗剪驗算，應先考慮剪力全部由鋼腹板承擔，驗算必須滿足鋼腹板材料強度要求。然后按剪切剛度分配剪力，對內襯混凝土進行抗剪驗算，設計應配置必要的鋼筋使其抗剪承載力滿足要求，對截面尺寸驗算不能滿足要求的區段，不能盲目的增加尺寸加大結構剛度突變，使應力集中增大；應采取加強兩者連接的措施和混凝土抗裂構造措施。為實現