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1、钢-混凝土组合（箱）梁桥建设成套技术研究报告简本1引言波纹钢腹板预应力组合箱梁是国外新兴的一种桥梁结构形式，它是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波纹钢腹板三者构成的组合结构，是对传统的混凝土桥梁的一种改进。自从1986年在法国建成了世界上第一座波纹钢腹板体外预应力组合梁桥Cognac桥后，波纹钢腹板预应力组合箱梁桥作为一种新型的桥梁结构得到了国内外工程界的广泛关注，日本、德国、美国、英国、加拿大、韩国等国家先后针对此种桥型开展了相关的学术研究和工程实践。至今，法国、日本等国家先后有几十座简支梁、连续梁、连续刚构和斜拉桥等不同结构体系的波纹钢腹板体外预应力组合梁桥建成使用，取得了良好的社会和经济效
2、益。图2-1 波纹钢腹板预应力组合箱梁结构示意图与普通混凝土腹板箱梁相比，它恰当地将钢、混凝土结合起来，应用混凝土顶底板抗弯、波纹钢腹板抗剪，充分发挥了材料的使用效率，又由于波纹钢腹板的折叠效应，纵向预应力的使用效率增加，提高了结构的强度和稳定性，降低了成本。该结构自重轻，运输和吊装方便，施工工期短，经济美观，综合优势突出，而且可以解决现在很多大跨连续梁或连续刚构中出现的混凝土腹板开裂问题，提高结构的耐久性。目前，我国正处于公路桥梁建设的高峰期，同时建设资金又相对匮乏，波纹钢腹板预应力组合箱梁桥正具备缩短工期、降低成本、提高效益等多项优点，应该说是我国桥梁建设中一种较好的选择。但由于我国研究的
3、起步较晚、国外设置技术保护等原因，使得国内该桥型的应用远远落后于发达国家。因此，开展“钢混凝土组合（箱）梁桥建设成套技术研究”项目研究是及时的和必要的，它将为我国波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的推广和应用提供强有力的技术支持与可靠保障。 “钢混凝土组合（箱）梁桥建设成套技术研究”系交通部2004年度西部交通建设科技项目，由交通部公路科学研究院、清华大学、长安大学、北京交通大学、哈尔滨工业大学、广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院、青海省公路建设管理局共同承担。项目于2004年4月经投标立项，并于2004年7月正式与交通部科教司签订了西部交通建设科技项目钢混凝土组合（箱）梁桥建设成套技术研究合同。项
4、目承担单位与参加单位密切配合、通力合作，按照研究大纲确立的技术路线与实施方案，努力工作，经过四年的协同攻关，完成了项目科研合同规定的各项研究任务。在征得交通部西部交通建设科技项目管理中心批准同意后于2008年12月25日进行鉴定验收。由交通运输部专家委员会主任凤懋润、设计大师王用中、叶见曙、李春风、曾宪武等众多国内桥梁工程界权威组成的鉴定委员会充分肯定了本项目科研成果，并一致认为该项目研究成果研究成果总体上达到了国际先进水平，部分成果达到国际领先水平。2. 主要研究内容及实施方案2.1 研究目标本项目的总体目标是：在详细调研国内外实桥资料与相关文献和全面总结前期科研成果的基础上，通过系统的理论
5、分析、室内模型试验和动静载实测等一系列的研究工作，分析了波纹钢腹板预应力组合箱梁的受力机理，建立了相关的分析理论和实用设计方法。并在依托工程中应用本项目的研究成果，开发通用计算程序，编制设计与施工技术指南以及标准跨径的通用图，从而促进波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的推广和应用，并为今后的设计和应用提供技术保障。2.2 主要研究内容本项目按合同规定内容分为十四个专题开展研究工作，各专题主要研究内容如下：专题一：波纹钢腹板的剪切屈曲分析及抗剪承载力的实用设计计算方法研究在波纹钢腹板预应力组合箱梁中，剪力几乎完全由波纹钢腹板承担，梁的抗剪能力一般由波纹钢腹板的剪切屈曲控制，因而确定波纹钢腹板在剪切荷载作
6、用下的屈曲模式和屈曲荷载，是此类结构研究中一个很重要的问题。本专题针对波纹钢腹板，对其在剪力作用下的屈曲模式进行理论分析和数值模拟，并在此基础上进行试验研究，提出波纹钢腹板抗剪强度的实用计算公式。由交通部公路科学研究院和清华大学共同完成。专题二：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥抗弯性能分析波纹钢腹板预应力组合箱梁是由预应力、波纹钢腹板和上下混凝土翼缘板三者构成的高效组合结构。由于采用波纹钢腹板代替了传统的混凝土腹板，波纹钢腹板的纵向刚度与上下混凝土翼缘板相比非常小，波纹钢腹板上的纵向应变沿腹板高度方向的分布规律比较特殊，在分析梁的抗弯性能时需要对其进行特殊处理。另一方面，钢腹板组合结构中的预应力体系
7、多采用体外预应力的形式，而体外预应力除了在锚固和转向位置处，预应力筋与梁无接触。因此在受到外荷载作用时，在同一截面位置处，体外预应力钢筋的应变与主梁的应变并不协调，这样在分析这种结构的抗弯性能时，体外预应力钢筋的应变不能根据平截面假定由分析截面的变形协调条件来确定，而是应该根据预应力钢筋与梁体变位之间的变形协调关系由预应力钢筋沿梁长的总变形来确定。本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，对波纹钢腹板上纵向应变分布规律进行分析，并在此基础之上，建立受弯条件下波纹钢腹板预应力组合梁从加载到破坏整个过程其弯曲性能的分析方法，编制和开发波纹钢腹板预应力组合梁桥全过程分析程序对波纹钢腹板的实际抗弯能力进行评
8、价。分析受拉区普通钢筋、体内预应力钢筋、体外预应力钢筋及其布索和转向形式等参数对梁极限状态的影响。进行波纹钢腹板预应力组合梁桥的抗弯破坏试验，验证前述的理论分析方法和计算程序。由交通部公路科学研究院完成。专题三：波纹钢腹板组合箱梁截面的扭转性能分析及空间受力分析与一般混凝土箱梁相比，由于波纹钢腹板的刚度与混凝土翼缘相比很小，波纹钢腹板组合箱梁在扭转作用下截面变形比较复杂。本专题针对波纹钢腹板组合箱梁，建立其空间扭转分析模型，并进行截面扭转性能的试验来验证分析模型的正确性，分析组合箱梁的扭转机理。由交通部公路科学研究院和清华大学共同完成。专题四：波纹钢腹板预应力组合梁桥疲劳性能研究在波纹钢腹板预
9、应力组合梁桥中，采用了波纹钢腹板这样的一种柔性腹板结构，同时体外预应力也应用在结构当中，因此确定由于波纹钢腹板的使用对组合箱梁的疲劳性能的影响成为一个重要问题。本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，对其在循环荷载作用下的破坏形式及机理进行研究，然后在此基础上研究其疲劳强度的实用计算方法及影响因素，提出组合箱梁在疲劳荷载作用下的内力和混凝土、钢腹板以及剪力连接件等构件的疲劳应力和应力幅的计算方法，研究提高波纹钢腹板预应力组合箱梁桥疲劳强度和疲劳寿命的措施的研究。由交通部公路科学研究院和长安大学共同完成。专题五：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥动力性能研究由于波纹钢腹板预应力组合箱梁结构的自重较轻、刚度较
10、小，在动力荷载作用下桥梁结构的动力效应将会很明显，有必要对其动力特性和动力响应进行深入研究。本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，采用有限元的方法对其进行模拟并计算其动力特性，测试并分析室内模型梁和依托工程的动力特性，以此验证有限元模拟的准确性，分析波纹钢腹板在地震荷载作用下的稳定性，建立车辆桥梁耦合振动计算方法，给出波纹钢腹板预应力组合箱梁冲击系数合理取值范围。由交通部公路科学研究院和北京交通大学共同完成。专题六：钢腹板与上下混凝土翼缘板的剪力连接构造研究波纹钢腹板同混凝土顶、底板的结合部直接关系到整个桥梁的承载，是设计该类桥梁中非常关键的环节。本专题针对钢腹板与上下混凝土翼缘板的剪力连接构造
11、，在总结国外设计形式和理念的基础上，对连接处的详细构造和理论计算方法进行研究，并采用室内模型试验进行验证，将研究成果应用于依托工程。由交通部公路科学研究院和清华大学共同完成。专题七：预应力钢筋转向装置和锚固体系的设计研究对于波纹钢腹板预应力组合桥梁，其预应力通常采用外部预应力体系，预应力在梁体之内与混凝土无粘结，采用钢筋混凝土中间隔板式结构进行转向，在锚固端处完全靠锚具传递给结构，这样转向肋与钢腹板局部以及锚固端的受力比较复杂。本专题针对体外预应力钢筋的转向装置和锚固体系，重点研究其转向装置和锚固体系的设计和局部应力仿真分析，并进行室内模型试验验证设计和仿真分析的合理性。由交通部公路科学研究院
12、和哈尔滨工业大学共同完成。专题八：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥施工工艺与技术研究本专题针对波纹钢腹板预应力简支箱梁，对其施工工艺与技术进行了详细的总结和研究。依据依托工程着重研究波纹钢腹板的轧制和制造，现场安装、定位、拼装以及防腐等施工工艺。由交通部公路科学研究院完成。专题九：波纹钢腹板预应力简支箱梁桥室内模型试验研究波纹钢腹板体外预应力组合梁作为一种力学性能比较复杂的新结构，有必要对其进行室内模型试验从而为实桥设计提供必要的参考和依据。本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，根据依托工程对模型梁进行设计，明确其试验加载方法、测试项目和手段，然后对其进行试验，并将与理论计算结果的分析比较，根据模型试
13、验的实测结果对结构关键部位的设计提出修改和优化建议。由交通部公路科学研究院完成。专题十：波纹钢腹板预应力简支箱梁桥设计和应用研究本专题针对波纹钢腹板预应力简支箱梁实桥，在室内模型试验的基础上，结合国外的实桥设计资料，通过前述的设计计算方法和程序进行依托工程结构计算和设计，完成施工图的局部和细部构造设计。在依托工程的建造过程中，对施工过程进行现场监测，并在成桥后，对其进行成桥动静载试验。由交通部公路科学研究院完成。专题十一：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥设计与施工技术指南的编制本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁桥，通过总结其理论分析、模型试验、实桥设计、施工及动静载实测分析的成果，整理和完善波纹钢腹
14、板预应力组合箱梁桥的实用设计计算方法，给出结构关键部位构造设计的指导性建议。提出波纹钢腹板的制作工艺和组合桥梁的施工工艺并指出施工注意事项和质量控制要求。由交通部公路科学研究院完成。专题十二：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥标准跨径通用图的编制本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁桥，分别对40m和50m跨径的简支梁桥进行了计算和设计，并编制了40m和50m跨径的简支梁桥的通用图。由交通部公路科学研究院完成。专题十三：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥综合计算程序的编制和开发本专题根据波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的结构特点，完善前期科研工作中已经开发的计算程序，对程序的界面设计进行改进，完成程序的实际应用和调试。
15、专题十四：波纹钢腹板预应力组合箱梁桥经济性能评价分析本专题针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，分析依托工程造价的组成，进行施工后的技术经济性能综合评价和总结，并与普通混凝土箱梁、普通钢混凝土组合箱梁以及普通混凝土T梁造价上的差别进行分析，在此基础上对波纹钢腹板预应力组合连续箱梁桥与普通混凝土连续箱梁桥的造价进行了预测对比分析。由交通部公路科学研究院完成。2.3 实施方案本项目采取的实施方案是：在广泛收集国内外相关资料和调研的基础上，进行各种构造形式的钢腹板预应力混凝土顶底板新型箱梁结构的比选和综合评价。在此基础上，重点进行波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的建设成套技术研究。在结构计算理论方面，在总结项目组
16、前期科研工作成果的基础上，进一步完善波纹钢腹板的剪切屈曲、整个波纹钢腹板预应力组合结构的抗弯、截面抗扭等关键问题的理论分析方法。结合模型梁和实桥设计，重点进行实用设计计算方法的研究，并且补充必要的室内模型试验来验证理论分析和实用设计计算方法。此外对波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的动力和疲劳特性进行系统的理论分析和试验研究，并按照新桥梁设计规范的要求和基于性能设计的思想，为实桥设计提供依据和建议。对波纹钢腹板与上下混凝土翼缘板的剪力连接构造以及预应力转向装置的构造形式等其他一些问题进行分析，解决实际工程应用中的难点问题。结合室内模型试验，在波纹钢腹板预应力组合箱梁桥施工工艺与技术研究的基础上，在西部
17、地区的依托工程中建造波纹钢腹板预应力组合箱梁实桥，并编写波纹钢腹板预应力组合箱梁桥设计与施工技术指南，为这种新型桥梁在西部地区的进一步推广应用奠定基础。3. 取得的主要研究成果本项目在详细调研和全面总结前期科研成果的基础上，通过系统的理论分析、室内模型试验、实桥设计和动静载实测等一系列的研究工作，取得了如下一批具有创新性和实用价值的研究成果。(1) 在充分考虑了初始缺陷及焊接残余应力的影响下，在国内外首次提出了考虑局部屈曲、整体屈曲与塑性强度相关关系的波纹钢腹板抗剪强度计算公式，式3-1，并通过波形腹板抗剪试验进行了验证，可推广用于工程实际，能够保证设计对于安全度的要求。 (3-1)式中：和分
18、别为局部屈曲强度和整体屈曲强度，n根据局部屈曲系数和整体屈曲系数来确定。图3-1为抗剪试验装置和图3-2为试件最终破坏形态。 (a) 加载装置(b) 侧向支撑图3-1 抗剪试验装置图 (a) (b) (c) (d) 图3-2 试件最终破坏形态图(2) 在克服了Mo.L.Y方法中三点明显不合理之处基础上，在国内外首次建立了充分满足平衡条件、变形协调条件和材料本构方程的波纹钢腹板预应力组合箱梁的纯扭性能分析模型。完成了波纹钢腹板预应力组合箱梁静力纯扭试验，试验结果的对比分析表明计算模型的准确性。 图3-3 波纹钢腹板预应力组合箱梁纯扭分析流程图(3) 在国内首次针对波纹钢腹板预应力组合箱梁，研究了
19、疲劳强度的影响因素以及波纹钢腹板的几何参数、波纹钢腹板与混凝土顶底板连接方式对其疲劳性能的影响。并完成了波纹钢腹板预应力组合箱梁疲劳试验，研究发现试验梁在200万次加载循环后均未发生疲劳破坏。(4)针对波纹钢腹板预应力组合箱梁的动力特性，在国内首次分析了波纹钢腹板箱梁几何参数对其动力特性的影响，揭示了其在几何参数变化的情况下动力特性的变化规律。同时还分析了预应力对桥梁自振特性的影响，对如何计算波纹钢腹板预应力混凝土箱梁的自振特性提出了建议。(5)在国内外首次采用三维汽车模型，将车辆波纹钢腹板桥视为相互作用的动力系统，并考虑车辆在桥上的不同位置以及不同车辆数目和不同车速等复杂情况，推导了车-桥体
20、系的动力平衡方程组，用逐步积分法求解。针对实际桥梁结构的多种不同工况，进行了大量的数值计算，对冲击系数提出建议。(6)在国内外首次分析扭转对其抗震性能的影响以及进行了腹板剪切抗震稳定性分析。(7) 针对栓钉连接件，在国内首次提出了混凝土受拉状态下栓钉承载能力的计算公式。(8) 针对波纹钢腹板预应力组合箱梁结构，在有限元分析和实验研究的基础上给出了适用于该结构的混凝土块式、钢制块式及混凝土肋式三种转向装置的构造要点和设计原则，并提出了与现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）相适应的设计计算方法，在依托工程中得以了应用。(9)在国内外首次研究了波纹钢腹板剪力连接键
21、对波纹钢腹板预应力组合箱梁的整体工作性能的影响，通过试验证明了埋入式的连接键的可靠性和工程实用性。(10)针对波纹钢腹板预应力组合梁桥，在国内首次开发了针对其结构特点的三维建模与计算模块，为此类桥梁的计算和精细化设计提供了有效的手段和保障，此模块应用在本项目大量参数分析和依托工程的计算分析之中，效果良好。 图3-4 模型创建主菜单图3-5 求解处理主菜单图3-6 计算模块在依托工程中的应用(11)在国内外首次研究了波纹钢腹板单箱多室箱梁的计算方法和设计理论，并应用于实体工程三道河中桥，并通过施工监控和成桥试验，验证了波纹钢腹板单箱多室箱梁应用于宽桥的可行性和适用性。 图3-7 现场的监控过程(
22、12)建成了波纹钢腹板预应力组合箱梁桥三道河中桥，其50m的跨度在已建成的国内简支桥型里是最大的。图3-8 波纹钢腹板简支箱梁(13)在总结本项目和国内外研究成果的基础上，结合本项目的依托工程，提出了波纹钢腹板预应力组合箱梁桥设计与施工技术指南和40m、50m标准跨径通用图，可为此类工程提供借鉴和技术参考，同时也为其在国内的进一步推广应用奠定基础。(14)在国内首次对波纹钢腹板预应力组合箱梁的经济性能进行了分析。本项目立项四年以来在各参研单位的共同努力下圆满完成了合同规定的各项科研任务，提交的研究报告如下：(1)波纹钢腹板预应力组合梁桥国内外课题调研报告(2)波纹钢腹板的剪切屈曲分析及抗剪承载
23、力的实用设计计算方法研究报告(3)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥抗弯性能分析研究报告(4)波纹钢腹板组合箱梁截面的扭转性能分析研究报告(5)波纹钢腹板预应力组合梁桥空间受力分析及疲劳性能研究报告(6)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥动力性能研究报告(7)钢腹板与上下混凝土翼缘板的剪力连接构造研究报告(8)预应力钢筋转向装置和锚固体系的设计研究报告(9)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥施工工艺与技术研究报告(10)波纹钢腹板预应力简支箱梁桥室内模型试验研究报告(11)波纹钢腹板预应力简支箱梁桥设计和应用研究报告(12)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥实桥动静载实测报告(13)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥设计与施工技术指
24、南(14)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥标准跨径通用图(15)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥结构分析与综合计算程序(16)波纹钢腹板预应力组合箱梁桥经济性能评价分析报告4. 项目的效益分析及推广应用前景波纹腹板组合箱梁桥的结构和技术优势在本项目依托工程的实施过程中得到了很好的体现，解决了高腹板混凝土浇注时常遇到的难题，波纹腹板和体外预应力的采用加快了施工进度，提高了结构的耐久性，其经济和社会效益的体现是长久的。同时通过对于波纹腹板连续梁桥的方案设计和经济性能分析表明，这种结构的技术和经济优势在大跨度的连续梁和连续刚构桥梁上将能够得到更好的体现和发挥，且这种结构可以解决现在很多大跨连续梁和连续刚构中出现
25、的腹板开裂问题，也提高结构的耐久性。因此这种结构在大跨度连续梁和连续刚构桥梁中有很好的应用前景，目前国内已经正在开展相关的工程实践工作，本项目的研究成果可以为此类工程实践提供理论支持、技术参考和依据。目前，我国正处于公路桥梁建设的高峰期，波纹钢腹板预应力组合箱梁桥正具备缩短工期、降低成本、提高效益等多项优点，应该说是我国桥梁建设中一种较好的选择。因此，在我国交通基础设施建设之中，波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的应用有着广阔的前景。5. 结束语在详细调研国内外实桥资料与相关文献和全面总结前期科研成果的基础上，通过系统的理论分析、室内模型试验和动静载实测等一系列的研究工作，对波纹钢腹板预应力组合箱梁的
26、抗剪、抗弯、抗扭、疲劳等静力性能及其动力性能进行了系统的理论分析和试验验证，分析了波纹钢腹板预应力组合箱梁的受力机理，建立了相关的分析理论和实用设计方法。并在依托工程中应用本项目的研究成果，开发通用计算程序，并总结了波纹钢腹板预应力组合箱梁的设计及施工指南，编制了40m和50m跨径的通用图，从而促进波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的推广和应用，并为今后的设计和应用提供技术保障。但是应该指出，本项目的研究主要是针对简支结构，且依托工程为试验性质的，只有真正应用在大跨连续梁、刚构、斜拉以及悬索体现桥梁上，这种结构力学性能的优越性、经济性才能充分体现出来。因此，建议下一步开展波纹腹板混凝土箱梁在连续梁桥、
27、连续刚构桥或其他体系桥梁的应用研究。6. 合作者本项目合作者为清华大学、长安大学、北京交通大学、哈尔滨工业大学、广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院、青海省公路建设管理局等六家参研单位。7. 致谢首先要感谢本项目所有参研单位。在本项目研究过程中得到清华大学、长安大学、北京交通大学、哈尔滨工业大学、广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院、青海省公路建设管理局等参研单位的大力支持与配合，为顺利完成本项目各项工作内容，各参研单位都投入了大量人力与物力，并且无私地奉献了多年积累的研究成果与工程经验。项目组还要感谢在本项目研究过程中给与了大力支持与合作的青海省交通厅、北京市榆树庄构件厂、中铁十三局等单位。17