波形钢腹板部分斜拉桥

波形钢腹板部分斜拉桥

陈宝春1

,黄 玲2

,吴庆雄

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(1.福州大学,福建福州350002;2.日本九州大学土木工程系,日本福冈812-8581;

3.日本长崎大学,日本长崎852-8521)

摘 要:将波形钢腹板箱梁作为部分斜拉桥的主梁,有利于降低结构的自重、增大桥梁跨径、减小地震反应;也有利于施工的合理化和工期的缩短,降低施工成本。介绍了日本栗东桥和日见桥这两座目前仅有的、正在施工的波形钢腹板部分斜拉桥的设计、施工与试验研究情况。

关键词:部分斜拉桥;波形钢腹板;箱形梁;预应力中图分类号:U 448.27

文献标识码:A

文章编号:1671-7767(2004)04-0005-04

收稿日期:2003-12-25

作者简介:陈宝春(1958-),男,教授,博士生导师,1982年毕业于福州大学路桥专业,工学学士,1986年毕业于福州大学结构工程专业,工学硕士,2003年毕业于日本九州大学,工学博士。

1 前 言

部分斜拉桥是近年兴起的一种新型桥梁结构形式,就结构特性而言,部分斜拉桥是介于连续梁桥与斜拉桥之间的一种新桥型,如果说连续梁桥属于刚性桥型,斜拉桥属于柔性桥型,部分斜拉桥则为一种刚柔相济的新桥型。从连续梁桥、斜拉桥到部分斜拉桥,其发展过程与混凝土结构的发展过程十分相似,混凝土结构从普通钢筋混凝土、预应力混凝土到部分预应力混凝土,部分预应力混凝土的出现填补了普通钢筋混凝土和全预应力混凝土之间的空白。同样,部分斜拉桥的出现将填补刚性桥型与柔性桥型之间的空白。

部分斜拉桥的结构思想由法国学者提出,1994年日本建成了世界上第一座部分斜拉桥 小田原港(Odaw ara Port)桥。迄今日本已修建了20余座此类桥梁,并将其推广到菲律宾、老挝等地。日本人称之为Extradosed Bridge,我国在介绍这种桥时有称之为部分斜拉桥的,也有称之为矮塔斜拉桥或低塔斜拉桥的,本文暂以 部分斜拉桥 称之。我国在这种桥型上起步稍晚,1999年建成的芜湖长江大桥是一座公铁两用的部分斜拉桥,2001年9月通车的漳州战备桥是我国第一座公路部分斜拉桥。这种桥梁的优越性价比已引起了国内桥梁界的重视,目前有逐渐兴起的趋势。由于它优越的结构性能、良好的经济指标,在一定的跨径范围内越来越显示出其巨大的发展潜力。

波形钢腹板的结构设计思想也是由法国工程师提出的。20世纪80年代后期,法国学者提出用钢

板代替预应力混凝土箱梁中混凝土腹板并配以体外索以减轻自重的设想,并将其应用于法国费圣 奥班(Fert -saint -Aubin)桥之中。但该桥在设计中发现,平面钢腹板对箱梁顶底板纵向约束较大从而造成施加在顶底板上预应力的损失较大。为此,法国学者Pierre Thrivans 提出将平面钢腹板改为波形钢腹板,从而产生了一种新型的、更为合理的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥,又简称波形钢腹板PC 梁。波形钢腹板PC 梁构造简单,结构受力明确。波形钢腹板不承受纵桥向的轴力,因此预应力施加的轴力全部作用在顶底板上;波形钢腹板主要承受由弯矩与扭矩产生的剪应力。除在顶底板中配置预应力束外,还配置大量的体外索,以减轻自重。与相同跨径的普通预应力箱梁相比,波形钢腹板的预应力箱梁其自重可减轻25%~30%。因此,波形钢腹板预应力箱梁出现后很快就得到了推广应用,其中以法国与日本应用得最多。

部分斜拉桥与波形钢腹板箱梁这两种由法国人提出、在日本得到大量发展的新型桥梁结构,最近在日本新建的日见(Himi)桥和栗东(Rittoh)桥两座桥梁(见图1)中结合了起来,日本人称之为Extradosed Bridge w ith Corrugated Steel Webs,本文则称之为波形钢腹板部分斜拉桥。在部分斜拉桥的主梁中采用波形钢腹板,有利于降低主梁的自重、增大跨径、减小地震反应;也有利于施工的合理化和工期的缩短,降低施工成本;波形钢腹板具有良好的折叠性,使施加在主梁上的预应力更有效地作用在箱梁的顶底板,不被腹板吸收,使预应力能发挥其最大的作用,

图1 桥梁效果图

而且这种折叠性使得腹板抗局部屈曲的能力有了很大的提高。

栗东桥是世界上第一座设计采用波形钢腹板部分斜拉桥的桥梁,日见桥则为第二座。然而,长崎日见桥的施工进度较快,因此,它可成为第一座建成的波形钢腹板部分斜拉桥。本文的作者对这两座桥进行了实地考察,重点考察了日见桥。现以长崎日见桥为主对这两座桥的设计、施工与科研进行介绍。

2 总体布置

日见桥是日本近期正在施工的为数不多的大型桥梁之一,它位于九州横断自动车道长崎大分线的起点,距长崎市区约4km,跨越一个山谷和分布在山谷两侧的国道34号线。大桥全长365m,主桥采用部分斜拉桥,跨径布置为(92.5+180+92.5)m,桥面净宽9.75m,总宽12.95m,其总体布置示意见图2(a),主要材料数量见表1。

表1 日见桥主要材料数量表

项目数量备注

混凝土/m3主梁

849 ck=50M Pa,塔柱部分

3872 ck=40M Pa,悬臂部分主塔、桥墩506 ck=30M Pa

钢筋/t 931SD345,主梁、防撞栏191SD345,主塔、桥墩

预应力钢材/t 14519 15.2环氧涂抹,体外索381 28.6预灌浆,桥面板

主索/t116PE平行束、钢绞线,裸线重量波形钢板/t314SM490YB

横隔板/t240SM400A,SM490YA, SM490YB,SM490YB-Z

塔柱内钢板/t160SM400A,SM520C 栗东桥是日本第二名(名古屋)神(神户)高速公路中的一座桥梁,位于大津交叉口和信乐交叉口之间的山地,在琵琶湖的东南端约10km处。桥位的西侧是十分陡峭的山地,山上有日本珍稀的植物,桥梁直接接上栗东隧道。考虑到地形条件和环境保护因素,不宜在山坡上设墩,而应以大跨度跨越。采用波形钢腹板部分斜拉桥,能够减轻自重、实现较大的跨度,方便施工、利于提高施工效率和保证质量,也便于今后的维护。

栗东桥分上、下行两幅桥,东京方向桥梁全长为495.0m,跨径布置为(67.5+115+170+137.5) m;大阪方向桥梁全长555.0m,跨径布置为(72.5 +90+75+160+152.5)m。每幅的行车道宽16.5 m。地面起桥墩的最大高度为72m,桥塔高度为30.5m,其总体布置示意见图2(b)

。

图2 桥梁总体布置示意

3 主梁一般构造

日见桥由于桥面不是很宽(净宽9.75m),所以为便于施工,主梁采用单箱单室断面的梯形梁。梁高选用时比较了3.0,4.0和5.0m三种。梁高3.0 m时,斜拉索、体外索的用量增加,结构受力性能不佳。梁高5.0m时,扣除上下翼缘高度后腹板竖向高为3.0m,考虑了腹板的倾角后腹板高约为3.5 m,由于受运输条件的限制,波形腹板应在高度方向进行现场拼接,这将给施工带来麻烦。因此,主梁高选用4.0m。

过去的预应力混凝土斜拉桥和部分斜拉桥主梁在斜拉索的锚固区常用混凝土横隔板来加强。日见