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1、 .wd.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构造形式，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构造，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构造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构造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
2、经济效益。图1-1 波纹钢腹板预应力组合箱梁构造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，提高了构造的强度和稳定性，降低了成本。该构造自重轻，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，提高构造的耐久性。目前，我国正处于公路桥梁建设的顶峰期，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
3、研究的起步较晚、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兴旺国家。因此，开展“钢混凝土组合箱梁桥建设成套技术研究工程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工程，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。工程于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工程?钢混凝土组合箱梁桥建设成套技术研究?合同。工程承担单
4、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，完成了工程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工程管理中心批准同意后于2008年12月25日进展鉴定验收。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工程科研成果，并一致认为该工程研究成果研究成果总体上到达了国际先进水平，局部成果到达国际领先水平。2. 主要研究内容及实施方案2.1 研究目标本工程的总体目标是：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根基上，通过系统的理论分析、室
5、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，建设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工程的研究成果，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 主要研究内容本工程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用下的屈
6、曲模式和屈曲荷载，是此类构造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展理论分析和数值模拟，并在此根基上进展试验研究，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构造。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展特殊处理。另一方面，钢腹板组合构造中的预应力体系多采用体
7、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，这样在分析这种构造的抗弯性能时，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展分析，并在此根基之上，建设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展评价。分析
8、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。进展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，建设其空间扭转分析模型，并进展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应力组合
9、梁桥中，采用了波纹钢腹板这样的一种柔性腹板构造，同时体外预应力也应用在构造当中，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展研究，然后在此根基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构造的自重较轻、刚度较小，在动
10、力荷载作用下桥梁构造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展深入研究。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展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，建设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，在总结
11、国外设计形式和理念的根基上，对连接处的详细构造和理论计算方法进展研究，并采用室内模型试验进展验证，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构造进展转向，在锚固端处完全靠锚具传递给构造，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，并进展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和哈尔滨
12、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展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构造，有必要对其进展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展设计，明确其试验加载方法、测试工程和手段，然后对其进展试验，并将与理论计算结果的分析比较，根据模型试验的实测
13、结果对构造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，在室内模型试验的根基上，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展依托工程构造计算和设计，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，对施工过程进展现场监测，并在成桥后，对其进展成桥动静载试验。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板预应力
14、组合箱梁桥的实用设计计算方法，给出构造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本卷须知和质量控制要求。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跨径的简支梁桥进展了计算和设计，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构造特点，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展改进，完成程序的实际应用和调试。专题十四
15、：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，进展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梁造价上的差异进展分析，在此根基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展了预测比照分析。由交通部公路科学研究院完成。2.3 实施方案本工程采取的实施方案是：在广泛收集国内外相关资料和调研的根基上，进展各种构造形式的钢腹板预应力混凝土顶底板新型箱梁构造的比选和综合评价。在此根基上，重点进展波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的建设成套技术研究。在构造计算理论方面，在总结工程组前期科研
16、工作成果的根基上，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构造的抗弯、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，重点进展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展系统的理论分析和试验研究，并按照新桥梁设计标准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展分析，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根基上，在西部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
