超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥主要力学性能的探索

桥梁的主跨跨径在200m～300m范围内时，设计斜拉桥和悬索桥非常不经济，而拱桥经常会受到地质、高墩限制难以采用，一般来说超大跨径的梁式桥应为最佳选择。但预应力混凝土连续（刚构）梁桥在该跨径范围已进入到超大跨，主梁自重与负弯矩将急剧增加，腹板开裂与跨中下挠是其两大典型病害，导致了在桥梁设计中跨度区间200m～300m范围内经济指标不理想的尴尬局面。

波形钢腹板组合箱梁桥具有向超大跨径(200m～300m)发展的优势，波形钢腹板从根本上解决了混凝土腹板开裂的问题，降低结构自重能够缓解主梁跨中下挠问题。同时当波形钢腹板组合箱梁桥进入超大跨径后，在主跨中部可将混凝土底板置换为钢底板进一步减轻自重，提高该桥梁结构跨越能力。为研究超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的受力行为，  本文作者在《突破300米跨度——波形钢腹板连续梁桥创新设计与应用》一文中 ，曾对一座主跨为360m的三跨波形钢腹板预应力混凝土混合梁连续刚构桥进行了试设计，并通过整体计算验证了该跨径桥梁的合理性和经济优越性。

目前，国内外已建成的波形钢腹板组合梁桥跨径未超过200m，该跨径下桥梁的扭转和畸变效应一般在可控范围内，设计分析时忽略一些因素对结构的安全性并不会产生显著影响。但当波形钢腹板组合箱梁桥进入超大跨径时，以下力学行为将会更加突出——

①波形钢腹板横向抗弯刚度远低于混凝土腹板，结构限制翘曲变形的横向框架作用大幅度降低。

②组合梁整体抗扭刚度变小，扭转变形随之增大，结构无法抵抗约束扭转和畸变效应产生的纵向翘曲正应力，特别是上述多种因素相互作用，并具有非线性增大效应，将对结构承载力产生更不利影响。

③超大跨径波形钢腹板组合箱梁的腹板高，存在着整体与局部稳定问题，波形钢腹板的变形、屈曲将极大削弱桥梁结构的极限承载能力。在设计中不考虑上述受力行为将会带来较大风险。

现行行业标准《波形钢腹板组合梁桥技术标准》（CJJ/T272-2017）明确了该类桥型抗扭刚度和自由扭转剪应力的计算方法，但对有关扭转设计的规定仍略显不足。如对约束扭转引起的翘曲应力及扭转产生的附加挠度计算、畸变变形及畸变翘曲应力计算、横隔板合理设置等均未作明确规定，同时对波形钢腹板的相关规定并不适用于超高波形钢腹板。为突破超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的技术瓶颈，完善现行规范相关规定，需开展以下方面研究——

①超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的弯曲和扭转耦合行为；

②超高波形钢腹板整体稳定、局部稳定及整体与局部相关稳定；

③超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的构造要求与设计计算方法。

目前，对于波形钢腹板组合箱梁纯扭性能的研究已取得了一定成果，但是对其弯扭耦合行为的研究还较为匮乏。当采用较薄的波形钢腹板代替混凝土腹板时，组合箱梁的抗扭刚度相较于传统混凝土箱梁减小60%～70%。此外，跨径超过200m的波形钢腹板组合箱梁桥，在偏心荷载作用下其弯扭耦合行为会更为突出。因此，有必要开展超大跨径波形钢腹板组合箱梁的弯扭耦合行为研究。

目前已完成的研究内容如下——

基于福州大学土木工程学院实验室扭转装置，开展了超大跨径波形钢腹板组合箱梁的纯扭试验和弯扭耦合试验，如图1所示。其中，纯扭试验是为了研究超大跨径波形钢腹板组合箱梁在纯扭作用下的受力机理，确定组合箱梁的极限抗扭承载力和破坏模式。弯扭耦合试验是在纯扭试验的基础上，通过控制不同弯扭比来研究组合箱梁在弯扭耦合作用下的受力行为和破坏模式。

(a)纯扭装置

(b)弯扭装置

图1 加载装置

试验梁共7根，其中3根为纯扭构件，4根为弯扭耦合构件，具体构造尺寸如表1所示。通过对比试验梁S1和S2的试验结果，研究超大跨径所带来的高腹板效应对波形钢腹板组合箱梁扭转性能的影响。通过对比试验梁S1和S3的试验结果，分析超大跨径所带来的宽幅箱梁对组合箱梁扭转行为的影响。S4～S7试验梁采用不同弯扭比，对比其试验结果分析超大跨径波形钢腹板组合箱梁在弯扭耦合作用下的受力机理。

纯扭试验目的：分析超大跨径组合箱梁在纯扭作用下的全过程应力和变形的发展规律，得到波形钢腹板组合梁上下混凝土翼缘的开裂部位、裂缝发展规律，以及破坏模式与抗扭承载力。根据试验的破坏模式和受力机理，建立超大跨径波形钢腹板组合箱梁的抗扭承载力计算方法。

图2为超大跨径波形钢腹板组合箱梁在纯扭作用下的破坏形式。与传统波形钢腹板组合箱梁相同，超大跨径波形钢腹板组合箱梁的破坏模式以钢筋屈服、混凝土底板剥落为标志，如图2a所示。由于超大跨径组合箱梁的腹板较高，腹板屈服后很快便出现了整体屈曲行为，且屈曲现象主要集中在跨中，如图2b所示。

(a)破坏模式

(b)屈曲模式

图2 超大跨径波形钢腹板组合箱梁纯扭作用下的破坏形式

弯扭耦合试验目的：基于超大跨径波形钢腹板组合箱梁的纯扭受力机理,开展超大跨径波形钢腹板组合箱梁弯扭耦合试验(图1b)，研究试验梁在不同弯扭比作用下的破坏模式、混凝土开裂模式、扭矩-扭率曲线以及应变变化规律。

图3为超大跨径波形钢腹板组合箱梁在弯扭耦合作用下的破坏形式，分别为弯型破坏和扭型破坏。其中，扭型破坏与纯扭构件相同(图3b)；弯型破坏的标志为钢筋屈服、混凝土顶板被压碎，如图3a所示。超大跨径引起的高腹板效应使得组合箱梁在发生弯型破坏时，腹板的整体屈曲现象主要集中在固定端附近的弯剪扭段；而发生扭型破坏时，腹板的整体屈曲现象主要集中在跨中弯扭段，如图3c和3d所示。

(a)弯型破坏

(b)扭型破坏

(c)弯型破坏腹板屈曲

(d)扭型破坏腹板屈曲

图3 超大跨径波形钢腹板组合箱梁弯扭耦合作用下的破坏形式

现有研究中，波形钢腹板稳定分析数值模拟方法大多采用一致缺陷法计入初始缺陷，且多凭经验取值，导致有限元模拟结果与实际不符。此外，基于此种模拟方法得到的抗剪承载力计算公式无法精确估计波形钢腹板抗剪承载力。因此，有必要建立合理考虑实际初始缺陷和大尺寸效应的波形钢腹板稳定分析数值模拟方法，从而得到超大跨径波形钢腹板组合桥梁腹板抗剪稳定承载力实用计算方法。

目前已完成的研究内容如下——

开展了冷弯残余应力和初始缺陷测试试验，共包括3根模型简支梁，其构造尺寸如表2所示。对于初始几何缺陷，测量采用激光水平仪打出一道水平激光构造出理想水平面，理想水平面和实际板平面之间的距离通过位移计测量，位移计的读数即为该测点间隙值，测量三次取所测数据均值作为测量结果并记录，由此得到沿构件高度方向的初始几何缺陷大小。对于冷弯残余应力，采用切条法将试件切割成众多细条，以此来消除其中的内应力，并配合手持式应变仪，测量得到残余应力释放后各细条变形量，再根据胡克定律计算得到残余应力值。

在综合考虑超大跨径所带来的高腹板影响下，通过试验测量了波形钢腹板冷弯残余应力和初始几何缺陷，揭示波形钢腹板初始缺陷的分布规律。试验测量了三块波形钢腹板初始几何缺陷和冷弯残余应力，试验结果表明：

①波形钢腹板初始几何缺陷最大值为4.13mm，小于《组合结构桥梁用波形钢腹板》（JT/T 784—2022）中规定波形钢腹板验收时允许的初始面外变形量（腹板高度的1/750）。与过往小尺寸波形钢腹板抗剪试件相比，实桥所用波形钢腹板初始几何缺陷较小。

②波形钢腹板冷弯残余应力在一个波长内均呈对称分布，其中弯曲残余应力在弯角段最大，膜残余应力在弯角段、斜板段和直板段中点处取得最大值，并且最大值均随板厚和斜板倾角的增加而增大。

(a)冷弯残余应力测试

(b)初始几何缺陷测试

图4 高波形钢腹板冷弯残余应力和初始几何缺陷试验

目前已完成的内容包括超大跨径波形钢腹板组合箱梁的纯扭试验、弯扭耦合试验、稳定相关试验以及受力机理分析，可为超大跨径波形钢腹板组合箱梁桥的构造要求与设计计算方法提供基础。后续将从以下几个方面继续开展研究——

①考虑超高波形钢腹板在弯曲、扭转和畸变作用下的变形形态，提出波形钢腹板的整体稳定、局部稳定以及二者相关稳定抗剪稳定承载力计算公式；

②考虑不同施工方式和结构参数影响的条件下，建立超大跨径波形钢腹板组合箱梁抗弯承载力、抗扭承载力及弯扭承载力计算公式；

③揭示超高波形钢腹板的剪切变形机理，提出对称和偏心荷载作用下的主梁挠度计算方法；

④建立超高波形钢腹板纵向加劲肋设置方法和横隔板设计间距的计算方法，提出超大跨径变截面波形钢腹板组合箱梁抗剪承载力的增强措施。