第10章 波形钢腹板PC箱梁的设计和施工10.1波形钢腹板PC箱梁概述10.1.1波形钢腹板PC箱梁的特点 波形钢腹板PC箱梁是上世纪80年代法国最先开发的一种新型组合结构，即用波形钢腹板（CSW：Corrugated Steel Web）替代PC箱梁的混凝土腹板，取得比PC箱梁更优的结构与PC箱梁相比具有以下优点:① 钢腹板为波形，有较大的抗剪压屈强度而且，CSW在轴向力作用下具有“手风琴”效应，不承受轴向力，预应力不分流给钢腹板，提高了作用在上、下混凝土板上的预应力效率，减少了预应力钢材用量② 通常PC箱梁的腹板约占主梁自重的20-30%，采用CSW板可减轻主梁自重约20%，从而，可延伸跨长，节省建设费用另外，悬臂架设时，由于每一节段重量减轻，可加大架设节段长度，减少架设循环次数，缩短工期③ 由于没有混凝土腹板，省略了腹板的钢筋绑扎和灌注混凝土工序，可期待施工的合理化、省力化，也可提高质量和耐久性④ 主梁自重较轻，减少了作用在下部结构上的荷载，可减小基础的规模⑤ 自重较轻，降低了地震时的惯性力，是抗震性相对较优的结构图10.1为 CSW PC箱梁概念图图10.1 CSW PC箱梁概念图然而，CSW PC箱梁实用历史较短，设计、施工规范尚未健全。
在结构趋于破坏阶段，材料性能非线性和几何非线性两者的复合非线性理论分析目前尚不完善，今后仍有进一步研究的空间10.1.2波形钢腹板PC箱梁的发展CSW作为材料很早就用于工程结构，欧洲在飞机机身、集装箱上都采用波形钢板,以利于减轻自重,增大刚度日本于1960年就已在钢铁厂的吊车轨道梁(约10Km长)上采用波形板作腹板上世纪80年代末，法国首先采用CSW板代替PC箱梁的混凝土腹板，于1986年建成了Cognac桥对CSW PC箱梁桥推广产生影响的是1994年建成的Dole桥表1是法国CSW PC箱梁桥日本于1993年建成了第一座CSW PC箱梁桥，至今已建成近百座，远超过了法国，见表2在结构形式上，不仅有连续梁（最大跨长125m）、连续刚构（最大跨长136.5m），还用于斜拉桥加劲梁（主跨长235.0m）和矮塔斜拉桥主梁（Extrodosed Bridge,主跨长180.0m）在CSW板之间的现场连接和CSW板与上、下混凝土板接合方式上，开发了抗疲劳更优、施工更便利的型式在悬臂施工上，开发了更轻便的架桥机，使之更趋合理化和省力化表10.1 法国CSW PC箱梁桥桥名形式跨长（m）桥面宽度（m）建成年份Cognac桥3跨连续梁32.455+42.91+32.45512.101986Vol de Manpre桥7跨连续梁40.95+44.1+47.25+50.4+53.55+47.25+40.9510.751987Aslerix Park高架桥2跨连续梁2×37.013.01989Dole桥7跨连续梁40.8+5×80.0+48.014.51994 表10.2 日本CSW PC箱梁桥桥名形式跨长（m）桥面宽度（m）施工方法建成年份新开桥简支梁30.014.8支架1993银山御幸桥5跨连续梁24.7+3×45.5+44.99.7支架1995本谷桥3跨连续刚构44.0+97.2+56.010.49悬臂架设1998弥富高架桥3跨连续梁47.0+91.5+47.0支架2000小犬丸川桥6跨连续梁50.9+4×81.0+55.0悬臂架设2001前谷桥2跨连续梁75.3+96.5悬臂架设2001鍝田高架桥3跨连续梁59.0+125.0+59.0悬臂架设2001大内山川二桥2跨连续梁49.0+2×66.0+120.0+57.0+43.0+34.0悬臂架设2002胜手川桥3跨连续刚构59.3+96.5+69.810.84悬臂架设2001小河内川桥2跨连续梁2×77.8悬臂架设下田桥4跨连续刚构44.3+136.5+48.5+38.8悬臂架设2002游乐部川桥3跨连续梁65.4+102.5+65.4悬臂架设2004温海川桥4跨连续梁62.3+2×51.5+51.3悬臂架设2004兴津川桥4跨连续刚构69.1+112.0+142.0+130.6（一箱三室）悬臂架设2002矢作川桥斜拉桥175.0+2×235.0+175.0悬臂架设2005第二上品野桥5跨连续梁66.9+81.0+2×73.0+50.0（63.9+81.0+2×73.0+50.0）2004白岩桥3跨连续梁51.0+86.0+44.0（53.0+82.0+50.0）2003粟东桥矮塔斜拉桥140.0+170.0+115.0+70.0（155.0+160.0+75.0+90.0+75.0）悬臂架设2005日见桥矮塔斜拉桥91.8+180.0+91.812.95悬臂架设2004谷川桥简支49.711.5支架2002信乐第六桥2跨连续刚构71.8+77.817.06（一箱二室）悬臂架设2004信乐第七桥5跨连续刚构57.5+3×89.0+57.517.63（一箱二室）悬臂架设2004津久见川桥5跨连续刚构49.6+2×75.0+47.0+42.610.70悬臂架设2004黑部川桥（铁路桥）6跨连续3墩固结刚构2×50.0+2×72.0+2×50.011.7支架2002注：除注明外，均为公路桥。
10.2 波形钢腹板PC箱梁桥的设计10.2.1设计概要（1）应用范围至今为止，CSW PC箱梁已应用于简支梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥的加劲梁，矮塔斜拉桥（Extradosed Bridge，即大偏心体外索梁桥）的主梁通常用于直线梁，用于曲线时，最小平面曲线半径约1000m2）架设方法CSW PC箱梁桥架设法有支架架设法、顶推架设法，连续梁时更多的是采用悬臂架设法，绝大多数是现场浇注混凝土，少数是预制节段3）梁高及预应力钢材用量图10.2为PC箱梁与CSW PC箱梁在跨中和中间支点处高跨比的比较一般情况下，跨中梁高取决于跨中弯矩，支点处梁高取决于支点剪力图10.3为全部体外索时，PC箱梁与CSW PC箱梁的预应力钢材用量的比较 图10.2 梁高与跨长的关系 图10.3 PC箱梁与CSW PC箱梁的预应力钢材用量的比较 （4）CSW PC箱梁断面常用的CSW PＣ箱梁桥，断面形式如图10.4所示 图10.4a)为单箱断面（适用于桥面有效宽度12m，2～3车道），图10.4b）为一箱二室断面（适用于桥面有效宽度16～22m，4～6车道）。
较大跨度的斜拉桥，主梁也可采用一箱三室断面 a）单箱断面 b）一箱二室断面图10.4 CSW PC箱梁断面（5）CSW PC箱梁的受力计算① CSW PC箱梁的弯曲、轴力和剪力由于CSW板的手风琴效应，在桥轴向可自由变形，不能承受轴向力，从而梁弯曲刚度和延伸刚度仅考虑上下混凝土板，剪力则全部由CSW腹板承受图10.5表示CSW PC箱梁的弯曲应力、轴向应力和剪应力的分布图10.5 CSW PC箱梁的应力分布② CSW PC箱梁的扭转在偏心荷载作用下，CSW PC箱梁与普通ＰＣ箱梁有很大的不同，由于CSW板的抗面外变形能力相对较弱，引起箱梁断面畸变，使上下混凝土板产生附加应力（特别是跨中断面）另外，作用在腹板上的扭矩将产生附加剪应力设计时，必须设置一定间距（一般为12m～20m）具有足够刚度的横隔板来限制其附加应力≤3.0MPa横隔板还作为体外预应力束的转向架或锚固块图10.6为CSW板具有足够抗剪刚度时的扭转荷载的分解 纯扭转荷载 附加纯扭转荷载 翘曲扭转荷载图10.6 CSW PC箱梁在偏心荷载作用下的扭转荷载分解③ 作用在CSW板上下端的横向弯矩靠近上下混凝土板的ＣＳＷ上下端，除了承受伴随主梁竖向弯矩产生的应力外。
还要承受伴随混凝土桥面板的挠曲变形引起的横向弯矩的作用剪力键设计时，除了考虑承受桥轴向水平剪力，还要承受横向弯矩CSW板与上下混凝土板的接合类型对抗横向弯矩的能力如表10.3所列M1>M2+M3图10.7 外荷载引起的横向弯矩另外，在循环汽车活载作用下引起的横向弯矩而引发CSW板现场连接细节的疲劳裂纹的问题见10.4节④ 混凝土桥面板的设计上下混凝土板与CSW板构成箱型框架，上混凝土板既要作为支撑于CSW钢腹板上的承受交通荷载的桥面板，又作为主梁的上翼缘的一部分参与主梁共同工作作为前者，桥面板的支撑跨度为CSW板的中心距对于PC箱梁，连续板的跨中弯矩取简支板弯矩的0.8倍对于CSW PC箱梁，由于CSW板的刚度小于混凝土腹板，经FEM分析和模拟梁实验验证，桥面板的跨中弯矩取简支板弯矩的0.9倍10.2.2 波形钢腹板的设计10.2.2.1 CSW的形状及尺寸图10.8为CSW目前常用的CSW板类型及尺寸a）1600型（Dole桥） b）1200型（本谷桥） c）1000型（鍝田高架桥）图10.8 CSW板的类型冷弯半径一般取r≥7t，并由Charpy试验决定目前，1600型、1200型、1000型适用的实桥最大跨长/梁高分别为136.7m/7.5m，97.2m/6.4m，91.2m/3.2m。
波高越小，抗剪压屈强度越低10.2.2.2 CSW板抗剪验算CSW PC箱梁，上、下混凝土板承担的剪力很小，可忽略，假定剪力完全由CSW板承受并假定剪力在CSW断面内均匀分布，这与按沿桥轴向剪力流理论求得的精确解差别很小设计荷载作用时的容许剪应力： （10.1）终局荷载作用时，剪切屈服应力： （10.2）式中，——钢材剪切屈服应力，——钢材拉伸屈服应力10.2.2.3 CSW板剪切压屈检算CSW板除按式（10.1）或式（10.2）进行剪应力检算外，还需进行剪切压屈检算CSW板的受剪压屈分为局部压屈（板块压屈，板块宽度较大时），和整体压屈（包括上、下混凝土板和CSW板，梁高较大时），以及二者的联合压屈（二者压屈强度接近时）局部压屈计算比较简单、明确整体压屈和联合压屈现象比较复杂，必须用FEM法进行非线性分析1）局部压屈CSW板的压屈是指在等剪应力作用下，把两折线之间平板（分为平行板和斜向板）视为简支板的压屈现象。
用式（10.3）计算其压屈强度（见图10.9） （10.3）当a/b≥1时，取Ks=5.34+4.0当a/b≤1时，取Ks=4.0+5.34 。