箱型截面梁桥世界之最(大跨径波形钢腹板UHPC组
在交通工程领域，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的设计与创新对于提升桥梁的性能和推动行业的技术进步具有重要意义。本文将重点介绍基于UHPC材料的波形钢腹板组合箱梁桥的设计及其在珠海前山河大桥的应用，并对其力学性能和经济性进行深入分析。
一、背景概述
随着交通需求的不断增长，大跨径桥梁的建设日益受到重视。波形钢腹板-PC组合箱梁桥因其优良的抗扭性能、施工稳定性及承受正负弯矩的能力，已被广泛应用于桥梁工程领域。传统的PC连续箱梁桥存在梁体裂缝、过度下挠等问题，促使工程师们寻求新的解决方案。
二、波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的设计
针对传统PC连续箱梁桥的不足，本研究利用高强轻质的UHPC材料替换厚重的普通混凝土翼缘板，构建新型的波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥。该设计以珠海前山河特大桥为实桥设计原型，结合有限元分析软件，对新型桥型的整体受力和局部受力进行详细分析。
三. 力学性能分析
通过对波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的整体受力和局部受力分析，发现该桥型具有以下优点：
1. 结构自重大幅降低：采用UHPC材料替换普通混凝土，有效减轻了桥梁的自重。
2. 内力降低：在最大悬臂状态下，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的内力大幅降低。
3. 应力验算满足规范：在作用组合下，新型桥型的应力验算结果符合规范要求。
4. 跨中最大挠度可控：新型桥型的跨中最大挠度小于规范容许值，保证了桥梁的安全性和稳定性。
四、技术分析与经济性评估
本研究还对波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的技术经济性进行了评估，发现该桥型具有以下优势：
1. 技术性能优良：新型桥型在整体受力性能、局部受力性能等方面表现出优良的性能。
2. 经济性良好：通过构造优化，新型桥型的技术综合单价相比原型设计和PC箱梁桥分别降低了16.9%和57.8%，显示出良好的经济性。
五、前景展望
波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥凭借其优良的力学性能和良好的经济性，有望成为大跨连续梁桥有竞争力的桥型。该桥型的成功应用将为混凝土连续箱梁桥的大跨轻型化提供有力的技术支撑，推动交通工程领域的技术进步。
波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥作为一种新型桥梁结构，在力学性能和经济效益方面表现出显著优势。本文的研究为该桥型的设计与建造提供了技术参考，有望为交通工程领域的发展做出重要贡献。在现代桥梁工程中，设计创新与技术进步不断推动着新的桥梁结构形式的诞生。此次，我们将聚焦于一种新型桥梁设计方案：主梁单箱单室截面的桥梁结构。该结构顶板宽度达到15.75米，翼缘板宽度为3.375米，箱室顶部宽度为9米。这种设计的典型截面图如图2所示。其材质采用经过模压成形的1600型波形钢板，跨中和中墩的厚度分别为22毫米和25毫米。为了加强结构的稳固性，预应力束采用了高达1860兆帕的高强钢绞线，而主梁的顶底板则使用了C55混凝土。这一系列的设计元素共同构成了这座桥梁的坚固骨架。
在此基础上，我们进一步提出了波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥方案。这一设计基于原有的桥梁设计方案，其立面图如图1所示。波形钢腹板与UHPC（超高性能混凝土）的结合，为桥梁带来了新的技术亮点。这种组合箱梁的UHPC顶板宽度与主梁一致，为15.75米，其中外伸悬臂板宽度为3.375米。腹板间的UHPC顶板采用矮肋板设计，具有纵向加劲肋，未加劲部分高度为12厘米。横隔板则每隔3.2米设置一块，高度为1.2米。UHPC底板的宽度和厚度根据跨中和支点的需要进行了特别设计，以应对不同的承载需求。
这种新型桥梁的腹板采用了Q345qC钢材的波形钢板，其高度随着梁的高度变化而呈现1.8次抛物线的变化。跨中和中墩的波形钢腹板厚度分别为22毫米和25毫米。整个桥梁的施工采用挂篮对称悬臂浇筑的方式进行，主梁节段划分细致且合理，如图5所示。这样的设计不仅确保了施工效率，也保证了桥梁的精度和质量。
预应力布局是这座桥梁设计的又一亮点。采用体内、体外混合配束的方式，两端张拉，使得预应力分布更加均匀有效。特别是体外钢束的设计，使得悬浇段的受力更加合理。这样的设计不仅提高了桥梁的承载能力，也增强了其结构的安全性。
为了对比这种新型设计方案，我们还设计了相同跨径布置的PC连续箱梁桥方案。这种传统的桥梁设计方案与波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥相比，虽然在一些细节上存在差异，但同样体现了现代桥梁工程的卓越技术和无尽的创新潜力。
图7：PC连续箱梁桥方案典型截面图（单位：厘米）
在桥梁工程领域，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥以其独特的设计脱颖而出。其典型截面如图7所示，单位厘米。这种桥梁结合了波形钢腹板和UHPC（超高性能混凝土）的优点，展现出卓越的结构性能。
2. 整体有限元结构分析
2.1 结构内力
2.1.1 最不利施工阶段
在施工阶段的最大悬臂状态下，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥表现出显著的优势。与波形钢腹板-PC组合连续箱梁桥和传统的PC连续箱梁桥相比，其最大负弯矩分别减少了43.9%和61%。最大剪力也有显著的降低，分别减少了45.9%和64.9%。这意味着波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的施工安全性和稳定性得到了极大的提高。
如表1所示，三种桥型方案在最大悬臂状态下的结构内力对比一目了然。
2.1.2 结构自重内力
波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥由于结构自重的降低，产生的弯矩和剪力也大幅度减少。这一点在表2的结构自重工况下的结构内力对比中得到了验证。
2.2 结构应力
2.2.1 正截面抗裂验算
根据公混桥规[11]，波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁在作用短期的效应组合下，其正截面抗裂性能经过严格的验算。如图8所示，该箱梁的截面上下缘均未产生拉应力，最小压应力0.1 MPa产生于边支点处上缘。
2.2.2 主压应力验算
公混桥规[11]对全预应力混凝土受弯构件的主压应力有明确的规定。波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁的主压应力验算结果如图9所示。计算结果表明，在荷载标准值组合下，该箱梁的主压应力均未超限。上、下缘最大压应力分别为41.9、22.7 MPa，远低于UHPC材料的抗压强度标准值。
2.3 结构变形
根据公混桥规[11]，汽车活载作用下的长期挠度值应控制在主跨径的1/600以内。波形钢腹板-UHPC组合箱梁在汽车荷载工况下的跨中竖向最大挠度值为63.46 mm。考虑长期增长系数后，仍远低于规范容许值。这表明该桥型在汽车活载下的挠度满足规范要求。
表3：公路I级汽车荷载下三种桥型方案的竖向变形对比
我们对三种桥型方案在公路I级汽车荷载作用下的竖向变形进行了深入研究。结果显示，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥在受力分布上表现出色。
3.局部受力分析
3.1波形钢腹板受剪承载力分析
波形钢腹板抗剪强度分析：
如图10所示，全桥的波形钢腹板都展现出了出色的抗剪强度。特别是在支点UHPC节段与波形钢腹板-UHPC组合节段交汇的地方，尽管出现了最大的剪应力，但仅为75.8 MPa，远低于其抗剪强度的极限。这表明在承载能力极限状态下，波形钢腹板的受力仅为其抗剪强度的一半，局部抗剪性能相当稳健。
波形钢腹板屈曲稳定性分析：
从图11可以看出，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥在承载能力极限状态下，其局部屈曲稳定、整体屈曲稳定和组合屈曲稳定均满足规范标准。而且，其剪应力设计值仅占相应截面位置波形钢腹板组合屈曲剪应力的62.4%，充分显示了波形钢腹板的高稳定性。
3.2剪力连接件水平受剪承载力分析
栓钉连接件的受剪承载力结果如图12所示。在承载能力极限状态下，栓钉连接件的受剪承载力完全满足规范要求。而且，栓钉的承载力约为其所承受最大剪应力的两倍，显示出其强大的承载能力和优秀的性能。
4.经济性分析与构造优化
技术方案经济性分析：
尽管波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的上部结构综合单价相较于实桥设计方案有所提高，但其增长幅度仅为15.5%。与PC连续箱梁桥相比，其综合单价却低了11.3%。更重要的是，由于波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的自重大幅降低，主梁的运输和吊装费用明显减少。下部结构和基础工程的材料用量也随之降低。综合对比计算后，我们发现波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的综合单价相较于实桥设计方案和PC连续箱梁桥分别降低了5.3%和39.4%。除此之外，其耐久性能更为出色。无论是在初期建筑成本还是全寿命周期成本上，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥都展现出了强大的竞争力。
主梁梁高优化：
从表5可以看出，随着主梁高度的调整，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的主跨跨中最大挠度有所变化。当中支点梁高为6.5 m，主跨跨中梁高为2.5 m时，在汽车活载作用下，跨中最大挠度为154.7 mm，仅为挠度限值的1/1.23，显示出主梁的刚度优越。
在极限状态下，波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥在频繁荷载的考验下展现出强大的承受力，其主拉应力为-0.4 MPa（压应力）。随着梁高尺寸的进一步优化，我们注意到支点处的UHPC节段截面在承受压力时表现尤为出色。对于追求全预应力设计的桥梁结构而言，这种方案的抗裂性能无可挑剔，完全符合规范的要求。
让我们将目光转向这座主跨达160米的波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥的设计方案。经过细致的调整，中支点梁高被设定为6.5米，跨中梁高为2.5米，这一设计显著提升了桥梁的刚度与稳定性。
在支点UHPC节段腹板厚度的优化过程中，我们采用了Midas Civil软件进行整体有限元结构分析。随着中支点和边支点UHPC节段腹板厚度的适度降低，虽然整体刚度有所降低，但降幅较小，完全在可接受范围内。经过精细的调整，中支点UHPC腹板厚0.5米，边支点UHPC腹板厚0.3米的设计方案应运而生。相较于传统的设计方案，这一优化方案的腹板厚度减少了35%以上，显著降低了UHPC材料的消耗和工程造价。
这种减薄UHPC节段腹板厚度的设计不仅节约了成本，而且并未显著降低波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的整体力学性能。相反，这种设计方案在保持结构刚度的大大提高了设计方案的经济性。
进一步的验算结果显示，优化后的模型在整体受力验算中的σ1为-0.4 MPa，σ2为-34.3 MPa。而在局部受力验算中，τd,max为114.3 MPa，fvd为155 MPa，τcr为130.3 MPa。这些数字不仅展示了该桥卓越的受力性能，也证明了其结构的稳健性。
从表6的数据对比中，我们可以清晰地看到，经过尺寸优化后，上部结构的综合单价降低了7.9%，总建安造价降低了8.3%。与优化前的实桥设计方案和PC箱梁桥相比，优化后的波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥的综合单价分别降低了16.9%和57.8%。这一显著的成本优势使得波形钢腹板-UHPC组合连续箱梁桥型在竞争激烈的市场中更具吸引力。
波形钢腹板-UHPC组合箱梁桥在受力性能、经济效益以及施工便捷性等方面均表现出色。随着技术的不断进步和成本的不断优化，这种桥型有望在大跨连续梁桥领域成为更具竞争力的选择。探索前沿：高性能桥梁结构的研究与应用
随着科技的飞速发展，高性能桥梁结构的研究与应用成为土木工程领域的热点话题。众多专家与学者致力于此领域的研究，为我们揭示了密集横隔板UHPC箱梁桥面板、钢-混凝土组合结构桥梁等新型桥梁结构的奥秘。
邵旭东及其团队通过对密集横隔板UHPC箱梁桥面板的双向受力性能试验，为我们提供了对这种新型桥梁结构深入理解的视角。这种桥梁结构以其独特的优势，正在改变我们对桥梁建设的认知。聂建国团队在钢-混凝土组合结构桥梁领域的研究也取得了显著的进展，展示了这一领域的无限潜力。
不仅如此，UHPC（超高性能混凝土）材料的研究与应用也是当前的一个热点。从HABER等人的研究中，我们可以了解到UHPC材料的特性及其在实际应用中的表现。NAAMAN和AHLBORN的报告中，详细阐述了UHP-FRC的发展历程以及其在桥梁工程中的应用前景。这些材料的研究进展为未来的桥梁建设提供了更多的可能性。
罗的“钢-UHPC轻型组合桥面结构力学性能及裂缝宽度计算理论研究”为我们理解这种新型桥面结构提供了理论基础。与此项海帆关于世界大桥的未来趋势的论述，为我们展望了未来桥梁的发展方向。邵旭东及其团队在面向未来的高性能桥梁结构研发与应用方面所做的努力，为我们揭示了未来桥梁工程的发展方向和趋势。
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