大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱梁是以波形钢板代替混凝土腹板，并采用体外预应力的新型钢—混凝土组合结构，简称波形钢腹板PC组合箱梁桥。近年来，随着国内有关设计单位和高校对该桥型关键技术深入的研究和实践，波形钢腹板PC组合桥梁在我国也得到快速发展和广泛应用，已相继建成该类型桥梁数十座。本文以深圳东宝河新安特大桥为例，介绍这种创新型组合结构桥梁的设计要点。
图1 桥型布置图(单位：cm)
图2 桥位平面图(单位：cm)
工程概要东宝河新安特大桥位于深圳沙井与东莞长安之间的东宝河上，该桥西接长安建安路，东接沙井新和路，是深莞重要过境通道。道路全长1.45km，其中桥梁长1.04km， 主线双向6车道。受规划道路红线、500KV高压走廊、IV级航道及两侧建筑物和纵坡控制，桥梁线位与水流主流方向斜交角度约45°。为满足桥下通航及防洪要求，主桥跨径布置为88+156+88m。桥梁横向布置为双幅桥，单幅桥宽16.25m。上部结构采用波形钢腹板PC组合连续箱梁，下部采用柱径为6m的独柱式空心圆柱墩，承台群桩基础。
结构设计与创新波形钢腹板PC组合箱梁是在普通预应力混凝土箱梁基础上演变出来的新结构，与预应力混凝土箱梁比较，将混凝土腹板置换成波形钢腹板后，抗弯刚度、剪切刚度和抗扭刚度都不同程度地减小了。因此，对立面布置、体外索及其横隔板的布置要求也与混凝土箱梁不同。
东宝河特大桥的横断面采用单箱单室结构，每幅箱梁全宽16.25m，箱梁顶板厚35cm，墩顶局部加厚至65cm，底板厚30～90.8cm，墩处局部加厚至160cm。箱梁标准横断面见图3所示。
图3 跨中标准横断面图(单位：cm)
虽然波形钢腹板PC组合箱梁桥在我国已得到推广应用，但大跨度波形钢腹板PC连续梁桥的设计和施工经验还不够丰富。由于大跨径连续梁悬臂法施工时，中墩处负弯矩和剪力均较大，如何解决支座处混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计，成为设计的难点。本桥初步设计时，采用传统设计方法拟定截面尺寸，选择连接键形式，确定混凝土标号和波形钢腹板厚度等参数。传统的波形钢腹板PC组合箱梁下翼缘为混凝土结构，吊挂于梁底， 混凝土抗拉性能较差，当用于跨中节段时，自重偏大，同时施工复杂。因此，运用组合结构原理，合理发挥材料的优势，本桥创造性地在中跨跨中区段，将下翼缘混凝土板替换为抗拉性能较好的钢板，可有效减轻自重，优化结构受力并解决底板开裂问题。
根据波形钢腹板PC组合梁的空间受力特点，采用杆系和实体精细有限元模型，对东宝河新安大桥进行全过程模拟分析，对原方案和优化方案进行对比。结果如下表所示，优化效果显著。
主要指标对比表
对比原方案与优化方案主要设计指标，由于在中跨跨中区段箱梁下翼缘使用钢板替换原混凝土板，跨中正弯矩区减轻重量268t，减轻比例约23%，中墩处最大负弯矩和最大剪力分别降低24%和19%。创新性的设计方案将本桥的设计难度大大降低，较好地解决了本桥的设计难点。中墩处顶板混凝土应力由原设计的0.9MPa拉应力改善为1.5MPa 的压应力，解决了该处混凝土的抗裂问题，提高结构耐久性。中墩处底板混凝土压应力最大值原方案约为18MPa， 接近正常使用极限状态下C60混凝土最大压应力允许值（0.5fck=19.25 MPa），优化后为15.1MPa，可采用C50混凝土。0号块波形钢腹板厚度根据原方案设计时采用34mm， 优化后为28mm，节约材料，方便钢板加工和施工。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接键设计安全系数由原方案的1.1 提高到1.35。
图4 优化方案示意图(单位：cm)
科研项目深圳东宝河新安特大桥按照传统设计方法，存在中墩支座处混凝土的抗裂、0号块腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计等难点问题。因此，有必要采用联合攻关方式，开展自主研发与集成创新，对东宝河新安大桥的设计施工提供技术支持，同时积极推动我国大跨度波形钢腹板连续梁桥建设技术的发展。
依托本工程开展的研究项目主要有以下两个：一是与清华大学聂建国院士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁体系专题研究》；二是与日中设计咨询株式会社吉山博士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁抗震性能及连接键研究》。
图5 正弯矩区模型加载试验
图6 负弯矩区模型加载试验
多年的工程建设实践表明，普通预应力混凝土连续箱梁桥存在两类工程病害：梁根部腹板开裂；跨中持续下挠。究其原因在于箱梁自重内力占设计内力比重过大，混凝土腹板抗剪、抗拉强度不足。而波形钢腹板PC组合箱梁桥用抗剪性能较好的钢板代替混凝土腹板，并实现了主梁的轻型化，增大了梁桥的跨越能力，有针对性地改善了预应力混凝土箱梁的上述两项弊病。
东宝河新安特大桥，在常规波形钢腹板箱梁桥的基础上，将中跨跨中底板采用钢结构代替混凝土，充分利用材料特性，降低结构自重、墩顶负弯矩和剪力，具有新颖性和创造性。本项目设计创新证明，我国大跨度波形钢腹板PC组合连续梁桥具备了设计主跨达到200m的技术条件和实施能力，这将是该类桥梁跨径上的突破。
(作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司)
大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱梁是以波形钢板代替混凝土腹板，并采用体外预应力的新型钢—混凝土组合结构，简称波形钢腹板PC组合箱梁桥。近年来，随着国内有关设计单位和高校对该桥型关键技术深入的研究和实践，波形钢腹板PC组合桥梁在我国也得到快速发展和广泛应用，已相继建成该类型桥梁数十座。本文以深圳东宝河新安特大桥为例，介绍这种创新型组合结构桥梁的设计要点。
图1 桥型布置图(单位：cm)
图2 桥位平面图(单位：cm)
工程概要东宝河新安特大桥位于深圳沙井与东莞长安之间的东宝河上，该桥西接长安建安路，东接沙井新和路，是深莞重要过境通道。道路全长1.45km，其中桥梁长1.04km， 主线双向6车道。受规划道路红线、500KV高压走廊、IV级航道及两侧建筑物和纵坡控制，桥梁线位与水流主流方向斜交角度约45°。为满足桥下通航及防洪要求，主桥跨径布置为88+156+88m。桥梁横向布置为双幅桥，单幅桥宽16.25m。上部结构采用波形钢腹板PC组合连续箱梁，下部采用柱径为6m的独柱式空心圆柱墩，承台群桩基础。
结构设计与创新波形钢腹板PC组合箱梁是在普通预应力混凝土箱梁基础上演变出来的新结构，与预应力混凝土箱梁比较，将混凝土腹板置换成波形钢腹板后，抗弯刚度、剪切刚度和抗扭刚度都不同程度地减小了。因此，对立面布置、体外索及其横隔板的布置要求也与混凝土箱梁不同。
东宝河特大桥的横断面采用单箱单室结构，每幅箱梁全宽16.25m，箱梁顶板厚35cm，墩顶局部加厚至65cm，底板厚30～90.8cm，墩处局部加厚至160cm。箱梁标准横断面见图3所示。
图3 跨中标准横断面图(单位：cm)
虽然波形钢腹板PC组合箱梁桥在我国已得到推广应用，但大跨度波形钢腹板PC连续梁桥的设计和施工经验还不够丰富。由于大跨径连续梁悬臂法施工时，中墩处负弯矩和剪力均较大，如何解决支座处混凝土的抗裂、腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计，成为设计的难点。本桥初步设计时，采用传统设计方法拟定截面尺寸，选择连接键形式，确定混凝土标号和波形钢腹板厚度等参数。传统的波形钢腹板PC组合箱梁下翼缘为混凝土结构，吊挂于梁底， 混凝土抗拉性能较差，当用于跨中节段时，自重偏大，同时施工复杂。因此，运用组合结构原理，合理发挥材料的优势，本桥创造性地在中跨跨中区段，将下翼缘混凝土板替换为抗拉性能较好的钢板，可有效减轻自重，优化结构受力并解决底板开裂问题。
根据波形钢腹板PC组合梁的空间受力特点，采用杆系和实体精细有限元模型，对东宝河新安大桥进行全过程模拟分析，对原方案和优化方案进行对比。结果如下表所示，优化效果显著。
主要指标对比表
对比原方案与优化方案主要设计指标，由于在中跨跨中区段箱梁下翼缘使用钢板替换原混凝土板，跨中正弯矩区减轻重量268t，减轻比例约23%，中墩处最大负弯矩和最大剪力分别降低24%和19%。创新性的设计方案将本桥的设计难度大大降低，较好地解决了本桥的设计难点。中墩处顶板混凝土应力由原设计的0.9MPa拉应力改善为1.5MPa 的压应力，解决了该处混凝土的抗裂问题，提高结构耐久性。中墩处底板混凝土压应力最大值原方案约为18MPa， 接近正常使用极限状态下C60混凝土最大压应力允许值（0.5fck=19.25 MPa），优化后为15.1MPa，可采用C50混凝土。0号块波形钢腹板厚度根据原方案设计时采用34mm， 优化后为28mm，节约材料，方便钢板加工和施工。波形钢腹板与混凝土顶底板的连接键设计安全系数由原方案的1.1 提高到1.35。
图4 优化方案示意图(单位：cm)
科研项目深圳东宝河新安特大桥按照传统设计方法，存在中墩支座处混凝土的抗裂、0号块腹板抗剪屈曲和连接键抗剪设计等难点问题。因此，有必要采用联合攻关方式，开展自主研发与集成创新，对东宝河新安大桥的设计施工提供技术支持，同时积极推动我国大跨度波形钢腹板连续梁桥建设技术的发展。
依托本工程开展的研究项目主要有以下两个：一是与清华大学聂建国院士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁体系专题研究》；二是与日中设计咨询株式会社吉山博士团队合作开展了《大跨度波形钢腹板组合桥梁抗震性能及连接键研究》。
图5 正弯矩区模型加载试验
图6 负弯矩区模型加载试验
多年的工程建设实践表明，普通预应力混凝土连续箱梁桥存在两类工程病害：梁根部腹板开裂；跨中持续下挠。究其原因在于箱梁自重内力占设计内力比重过大，混凝土腹板抗剪、抗拉强度不足。而波形钢腹板PC组合箱梁桥用抗剪性能较好的钢板代替混凝土腹板，并实现了主梁的轻型化，增大了梁桥的跨越能力，有针对性地改善了预应力混凝土箱梁的上述两项弊病。
东宝河新安特大桥，在常规波形钢腹板箱梁桥的基础上，将中跨跨中底板采用钢结构代替混凝土，充分利用材料特性，降低结构自重、墩顶负弯矩和剪力，具有新颖性和创造性。本项目设计创新证明，我国大跨度波形钢腹板PC组合连续梁桥具备了设计主跨达到200m的技术条件和实施能力，这将是该类桥梁跨径上的突破。
(作者单位：深圳市市政设计研究院有限公司)