传统预应力混凝土箱梁升级改造
传统预应力混凝土箱梁具有弯扭刚度大、经济性及施工性好等特点，常被作为大跨度梁桥的首选结构形式，但大跨度预应力混凝土箱梁桥一般容易出现两种病害：一是梁根（端）部腹板开裂；二是随着跨度的增大，跨中挠度不断减小的问题日益明显，其原因是混凝土箱梁自重产生的荷载效应较大，且腹板与顶底板连为一个整体，顶底板温差及腹板干燥收缩徐变造成应力集中问题，容易造成腹板裂缝，严重影响结构的承载能力和耐久性。内预应力的失效和交通量的不断增大，加剧了病害的严重性。
为了解决上述问题，工程界对传统混凝土箱梁桥进行了一系列改进。
1.预制混凝土腹板箱梁桥。以法国韦基奥大桥为例，其预制混凝土腹板之间不相互连接，腹板与顶底板之间的连接，是通过在腹板内设置预应力筋来实现的。预制混凝土腹板可在工厂内浇注，质量容易保证，不仅能保持腹板良好的抗剪性能，减少结构自重，而且施工时干缩变形基本稳定。但腹板与顶底板之间采用预应力钢筋连接，施工难度较大。
2、扁钢腹板组合箱梁桥。扁钢腹板组合箱梁桥以钢腹板代替混凝土腹板，采用外拉索施加纵向预应力。钢腹板抗剪性能好，自重轻，且易于与顶底板连接。由于顶底板徐变收缩引起的变形受到钢腹板的约束，钢腹板与混凝土顶底板之间产生应力重分布，造成纵向预应力的较大损失。当板受压时，需在钢腹板上设置加劲肋或增加板厚，以防止失稳。
3.波形钢腹板组合梁桥。波形钢腹板组合梁桥采用波形钢板代替混凝土腹板，与混凝土顶板、底板组成组合梁体系。这种结构减轻了结构自重。消除了波形效应，提高了箱梁预应力的效率，对顶板、底板徐变和收缩变形的约束作用小。与平钢腹板梁桥相比，波形腹板具有较高的平面外刚度和抗剪切屈曲强度。此外，波形钢腹板组合梁桥具有很强的景观美感。
国外波形钢腹板桥梁发展概况
1986年法国建成了世界上第一座波形钢腹板组合桥——科尼亚克高架桥，随后又建成了三座类似的桥梁，莫普雷桥、阿斯特里克斯桥、多勒桥。1993年日本建成了第一座波形钢腹板组合桥，对波形钢腹板桥进行了详细的研究，并在此类型桥梁上进行了大量的工程项目。目前，日本在建或已建的此类桥梁总数已达200多座。此外，在美国、英国、加拿大、韩国、德国等许多国家都有此类桥梁的使用。波形钢腹板组合梁由于其良好的经济性、抗震性和可施工性，在国际上逐渐得到广泛的应用。(表1)
国内波形钢腹板桥理论研究
20世纪90年代，我国开始对波形钢腹板组合箱梁进行理论研究和工程应用。闫国民在1992年发表的论文中提到了法国莫普尔桥，这是我国首次提到波形钢腹板箱梁桥。西南交通大学的唐吉顺等人于1998年首次对该桥型进行了空间有限元分析。虽然我国对波形钢腹板桥的研究起步较晚，但国家自然科学基金自2001年以来一直大力支持这方面的研究。研究内容包括“波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁力学性能研究”、“预制阶段装配式波形钢腹板RPC箱梁弯曲性能研究”、“波形钢腹板预应力组合箱梁动力特性及动力学”。目前，已在波形钢腹板组合箱梁桥的弯曲性能、剪切性能、扭转性能、屈曲性能、剪滞效应、动力及抗震性能、疲劳性能、板式连接件的研究中，积累了一定的理论成果，经过20多年的理论研究和工程实践，进行了大量的数值分析和试验研究，波形钢腹板组合箱梁桥的理论和设计方法已逐渐成熟，并颁布了国家行业标准《波形钢腹板组合箱梁桥技术标准》及一些地方标准。（表2）
波形钢腹板桥施工方法
波形钢腹板箱梁桥常用的施工方法有满堂支架法、预制吊装法、少框法、顶推法、悬臂浇筑法和异步悬浇法（RW法）。
全桥支护法适用于桥下净空较小、地基条件较好的中小跨度桥梁，其施工面开阔平整，主要适合在平原地区及市政桥梁建设中使用，该工法主要缺点是：支护工程量大，混凝土浇筑工艺复杂，施工工期长。
预制吊装工法主要适用于城市高架道路或高速公路等，其技术特点是：主梁轻、预制施工、施工速度快。
少支架工法适用于中小跨度及跨道路的桥梁，其技术特点是先架设钢腹板，少支架，利用钢腹板承受荷载，再施工混凝土顶板和底板。
等截面、中等跨度多跨桥梁施工一般采用顶进法，此法采用波形钢腹板钢梁作为施工导梁钢结构梁高跨比，利用波形钢腹板的特点及体外预应力钢绞线的灵活周转，充分发挥各材料的性能，节省施工临时材料。
悬臂法适用于跨越河流、峡谷及桥下不间断航运、交通的大跨度变截面梁桥。波形钢腹板PC桥梁悬臂施工较之传统预应力混凝土桥梁悬臂施工有以下优势：节段重量：节段长度达到4.8m，挂篮重量也较传统挂篮轻；腹板无需布置纵向曲线预应力和竖向预应力，使管线布置更加方便，减少了预应力安装和张拉工序；通过减少腹板支模、钢筋绑扎等安装工序，节段施工工期缩短2-3天。
异步悬臂浇注法是在悬臂浇注法基础上改进的施工方法，具体做法是在波形钢腹板顶端增加宽度约30cm的翼缘板（兼作连接板），使其具有更大的纵向抗弯能力。工作区域由第N节扩展到N-1、N、N+1节。安装N+1节波形板，施工N节底板。异步悬臂浇注法充分利用波形钢腹板作为悬臂浇注的承重构件，简化了挂篮结构，减轻了挂篮自重，提高了施工周转效率，缩短了工期。
图1 全腔支架法
图2 预制吊装工法
图 3 更少的支架
图4：俯卧撑方法
图5 悬臂法
图6 异步悬臂浇铸法
波形钢腹板组合箱梁是在混凝土腹板箱梁基础上发展和改进的一种组合结构。传统混凝土梁桥的施工方法适用于波形钢腹板组合箱梁桥，所采用的施工方法大部分与传统混凝土梁桥相同，在施工过程中未能充分利用钢腹板的承重优势。因此，因地制宜，积极推广先架设钢腹板、将钢腹板导梁整体顶升、钢腹板在桥面上安装、承重异步浇注等施工方法，将极大地促进该类型桥梁的发展。
国内大跨度波形钢腹板桥
发展与创新
波形钢腹板组合桥在我国虽然应用较晚，但发展较快，特别是2011年以来，发展迅速。2006年以前，仅建成少数几座该类型桥梁，具有代表性的有青海三道河大桥（主桥主跨50m，单箱双室梁桥）、江苏淮安长征大桥（主跨30.5m连续人行桥）、河南坡河大桥（主跨30m连续梁桥）、重庆永川大堰河大桥（主跨25m简易桥）。山东鄄城黄河大桥（主桥70+11×120+70=1460m）的设计（2006年）、竣工（2011年），标志着我国波形钢腹板组合桥开始向大跨度桥梁发展，进入工程实用阶段。
波形钢腹板组合梁可用于各种类型的桥梁，包括简支梁桥、连续梁桥、连续刚架桥、部分斜拉桥和斜拉桥。其中，多数采用梁桥；当跨度超过160m时，常采用部分斜拉桥或斜拉桥。另外，近年来波形钢腹板组合梁也开始用于拱桥。我国已成为继日本之后世界第二大拱桥。广泛使用波形钢腹板组合梁的国家，大多在150m-200m大跨度范围内采用波形钢腹板组合梁，并以此作为此跨度范围内的主导桥型。表3列出了主要的大跨度波形钢腹板组合梁桥。
图7 山西云宝黄河大桥
图8 郑州朝阳沟大桥
图9 南昌朝阳大桥
由深圳市市政设计院有限公司设计的深圳东宝河新安大桥主跨156米，为世界首座波形钢腹板混合梁桥，中跨49.6米的梁段采用钢底板结构替代混凝土底板，明显提高了结构整体受力，提高了该类桥梁的跨越能力。由深圳市市政设计院有限公司设计的伊朗德黑兰BR-06L/R特大桥主跨153m，桥梁场地区域地震烈度为9度。桥梁隔震设计体系整体技术创新，采用抗震性能好的波形钢腹板PC箱梁桥梁结构体系，并配置与液体粘滞阻尼器相结合的摩擦摆双曲隔震支座，形成了技术先进、经济可行、抗震性能强的结构方案。该桥的建设成为国家实施“一带一路”战略先进核心技术输出的样板工程。另外，深圳马峦山公园一号桥分两段，左跨45m，右跨3×45m，单跨宽度20m，为组合折腹箱梁与组合桁架箱梁组合。优点：一种改进创新的桥梁结构。与组合折腹箱梁相比，采用钢管下弦杆代替混凝土底板，进一步减轻主梁自重，提高结构抗裂性能和整体性。与梁相比，避免了腹板与底管相交，解决了节点疲劳破坏问题，具有自重轻、抗震性能好、结构抗裂、整体性能优良等优点，具有良好的应用前景和研究、推广价值。
通过以上探索与实践可以看出，我国该类型桥梁建设已形成了独特的发展路线，整体技术水平已进入创新超越时代。
图10 深圳东宝河新安大桥
图11 伊朗德黑兰BR-06L/R大桥
图12 深圳市马峦山公园1号桥
波形钢腹板梁桥跨度的突破与发展
波形钢腹板组合箱梁从根本上避免了传统预应力混凝土箱梁桥存在的两种常见病害问题，合理地实现了钢与混凝土的组合，提高了结构的稳定性、强度和材料利用效率。理论上，波形钢腹板梁桥可以超过预应力混凝土梁桥，实现更大的跨度。目前已设计的最大跨度波形钢腹板梁桥为四川嘉陵江大桥（主跨190m），与既有混凝土腹板梁桥的最大跨度（301m）相差甚远，也没有达到波形钢腹板组合箱梁桥的极限跨度。
箱梁结构自重是限制大跨度梁桥跨度增长的重要因素，尤其是跨中部箱梁的自重，因此可通过减轻箱梁自重来实现跨度的突破。为了便于比较，设箱梁截面宽度相同（梁长相同），对混凝土箱梁、波形钢腹板箱梁、钢箱梁、钢底板—波形钢腹板箱梁的自重集中进行了比较。箱梁每延米的自重集中为P1，因此波形钢腹板箱梁的自重集中约为0.82P1，钢箱梁的自重集中约为0.30P1，钢底板—波形钢腹板箱梁的自重集中约为0.65P1。可以看出，波形钢腹板箱梁的自重比混凝土箱梁轻，减轻其自重约20%。同时，波形钢腹板箱梁具有预应力效率高的优点。混凝土梁桥可以达到并超过目前已建混凝土连续梁桥的跨度和规模。
表4列举了两种大跨度波形钢腹板箱梁桥设计方案，与既有虎门大桥辅助航道桥、重庆石板坡长江大桥双线桥相比，其负弯矩大致相当，技术上可行。
钢箱梁自重集中度在上述箱梁类型中是最小的，约为波形钢腹板箱梁自重集中度的2/5。如果采用波形钢腹板箱梁，那么梁桥的跨度将超过330m。基于此，我们试设计了一座主跨360m的波形钢腹板PC连续梁桥，计算得出最大负弯矩为6584P1。6075P1的顶弯矩大致相同，即采用相似的材料配置等现有技术手段即可实现。
波形钢腹板PC连续梁桥上部结构设计采用三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥，跨度布置为150+360+150m，主跨为120m高波形钢腹板，边跨主梁采用150m变高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。
图13 桥梁高程布置试设计（单位：m）
箱梁顶板宽16.4m，底板宽9.1m，顶梁高18m（高跨比1/20），跨中钢箱梁高4.8m（高跨比1/75），梁高18m（高跨比1/20）。按1.6阶抛物线过渡。波形钢腹板箱梁采用单箱单室变高截面，钢箱梁采用单箱双室等高截面。边跨设置3个混凝土截面，中跨设置6个混凝土截面。横隔板（钢梁截面除外）厚0.5m。波形钢腹板采用较常用的1600型，波高220mm。板厚根据腹板的剪力和剪切屈曲强度确定，钢腹板与顶板采用穿孔板连接件连接，与底板采用角钢连接件连接。
通过对主跨360m波形钢腹板梁桥试验设计方案进行整体计算，并与某实桥主要材料进行对比（如表5所示），可以看出试验设计方案可行，施工效率高，综合施工、维护等因素，具有经济优越性。
波形钢腹板作为仅承受剪力作用的钢构件，其承载力极限状态计算包括剪切强度计算和剪切稳定性计算两部分。稳定性是制约波形钢腹板梁桥跨度增大的主要因素之一，波形钢腹板整体屈曲稳定性是限制钢腹板高度增加的主要原因，进而影响桥梁跨度的增长。降低腹板整体屈曲临界应力的有效措施有：设置混凝土衬砌、设置水平横隔板、发展大尺寸波形钢腹板（2400型、2800型）、将波形钢腹板屈曲设计在非弹性区内等。
波形钢腹板PC箱梁在大跨度梁桥、高地震烈度区桥梁、软弱地基桥梁等方面有着广阔的应用前景，但在桥梁动力性能研究、超大跨度波形钢腹板梁桥腹板稳定性能研究、超大跨度波形钢腹板梁桥施工方法研究等方面仍需深入研究。
总的来说，波形钢腹板组合梁是在普通PC梁基础上发展和改进的一种组合结构，从根本上避免了普通PC梁桥腹板开裂的问题，合理利用了钢材和混凝土两种材料的优点，减轻了结构自重钢结构梁高跨比，提高了结构的受力性能，具有良好的经济性、抗震性和可施工性等优点，已成为现代PC梁桥的一个主要发展方向。
通过对一座主跨360m波形钢腹板梁桥的试制设计，并与同尺寸PC梁桥进行比较，发现波形钢腹板梁桥跨度可超过300m，与其他桥型相比，具有良好的经济性和耐久性。
经过多年的理论研究和工程实践，我国对波形钢腹板组合梁发展迅速，其规模和跨度已超过国外同类桥梁，在发展过程中，相继开发了波形钢腹板组合梁、波形钢腹板+钢底板组合梁、波形钢腹板-钢桁架等结构创新。作为一种极具创新潜力的结构形式，波形钢腹板组合桥将得到进一步发展。
本文发表于《桥梁杂志》
2019年第2期第88期
作者/陈意妍
作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司
编辑/王硕
美术编辑/赵文
