杜世界
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092
摘要：八家堰大桥位于中国（绵阳）科技城新区，是科技城新区跨越安昌河的第一座大桥。八家堰大桥概念设计采用54+90+54m的连续刚构梁桥，上部结构采用波形钢腹板预应力混凝土（PC）连续箱梁，下部结构采用V型桥墩。桥型方案兼顾美学、力学和抗震性能要求，建成后将成为新的城市标志性建筑。
关键词：波形钢腹板PC箱梁；V型刚构；概念设计
1 概述
作为中国（绵阳）科技城新区城市主干路科技城大道的重要节点工程，跨越安昌河的八家堰大桥建成后将极大方便两岸交通，为整个科技城新区发展提速，将成为新的城市标志性建筑。在概念设计阶段，基于该桥工程地质条件、融入现代化科技新城等特点，八家堰大桥采用波形钢腹板PC箱梁的V型刚构组合结构桥梁，解决了城市桥梁在美学、力学和抗震性能等方面的要求[1，2]，并可为今后类似工程项目提供了一定的借鉴作用。
2 研究与应用现状
2.1 波形钢腹板PC箱梁桥
波形钢腹板PC箱梁桥的研究与应用始于上世纪八十年代。随跨径增大，普通PC连续梁存在着腹板斜裂缝、跨中下挠、自重过重、不利于抗震等不利效应。在大跨径桥梁轻型化研究过程中，法国工程界提出了新型的、结构受力更合理的波形钢腹板PC组合箱梁结构。
第一座波形钢腹板PC箱梁桥是法国于1986年修建的Cognac高架桥[3]，上世纪80年代末日本从法国引进技术并进行了全方位研究，建成和在建桥梁近200座，成为世界上修建最多的国家[3，4]。其他国家如德国、韩国等均将该桥型结构应用于桥梁建设中。
我国自1998年起开始研究波形钢腹板PC组合箱梁结构，对波形钢腹板参数设计、屈曲特性、抗剪连接件分析剪力滞效应及桥梁建造等专题做过研究并取得了重要的进展，目前已有多座桥梁建成和在建，如江苏淮安长征桥18.5+30.5+18.5m、山东鄄城黄河公路大桥70+11×120+70m、深圳东宝河新安大桥88+156+88m等[4]。
2.2 V型刚构桥
预应力混凝土刚构桥始于上世纪五十年代的德国[5]，在六十年代后期理论研究和施工方法逐渐完善，九十年代以后随着高速公路交通事业发展迅猛，预应力连续刚构桥梁应运而生并快速发展。近二十多年来国内外建成了一些预应力混凝土V型支撑连续梁桥和连续刚构。如英国卡埃莱斯桥71.9+132+71.9m、泰国Sathorn桥66+92+66m，国内的怀化舞水河二桥75+110+75m、桂林雏山漓江大桥67.5+95+67.5m、广东中山东明大桥60+90+6m等[6]。V型墩连续刚构除了具有普通T型连续刚构桥的优点外，受力更合理、景观效果更美观、经济性更优等，在城市桥梁、风景区公路常能见到其身影。
3八家堰大桥概念设计
八家堰大桥所跨越安昌河的河口宽度约240m，工程地质构造条件较简单，历史上有强震记载、地震活动强烈，地壳相对不稳定，受“5.12”汶川大地震影响和龙门山主边界断裂发震的影响。
在概念设计阶段为了体现“轻质、高强、耐久、美观”等要求，本文研究并采用了波形钢腹板PC箱梁的V型连续刚构桥梁，主要基于：1）桥型创新：绵阳多为常规拱桥和梁桥，多数服务年限较长；2）科技城属性：应展现科技内含和科技含量，体现现代桥梁设计水平；3）抗震要求：地处多震区，应考虑采用有利于减少地震反应的轻型结构。
3.1 桥型结构选择
现代城市桥梁不仅要满足交通功能，更需考虑与周边环境、景观相协调。对于依水而建的城市，滨水景观带上的桥梁群，是城市水景的组成者和体现者。若桥型平淡，难以成为景观节点；若过度张扬，难免阻断城市景观的连续性，产生喧宾夺主的景观冲突。
八家堰大桥在桥型结构比选时，首先应对绵阳现状桥梁调查分析。现有桥梁主要拱桥和梁桥，多数桥梁经过“5·12”地震后，结构底部出现裂缝，后虽经过加固处理，但桥梁美观受到影响，对公众心理安全也产生影响。若选择拱桥或者梁桥，未能在形式上创新和突破，与科技城新区的属性不相符。
然后，自锚式悬索桥和斜拉桥造价高，桥梁主塔的存在会在城市景观中过于突出，不宜选用。钢结构桥梁因自重较轻、抗震性能较好，上部结构不会产生裂缝，然而全钢结构桥梁与混凝土结构桥梁相比建设造价过高，维修养护难度和成本高，不宜在城市跨越河道的桥梁中使用。
在概念设计阶段，本文选择了波形钢腹板PC组合箱梁的V型连续刚构桥梁。
3.1.1 波形钢腹板组合箱梁由混凝土顶底板、波形钢腹板、横隔板、体内外预应力索构成组合箱梁截面体系，充分利用了混凝土抗压、波形钢腹板抗剪屈服强度高的优点，有效的将钢、混凝土两种材料结合起来，提高了材料的使用效率[8，9]。
波形钢腹板PC组合箱梁，与传统PC箱梁及全钢结构箱梁桥相比，具有良好的经济效益和社会效益：
1）腹板采用较轻的波形钢板，上部结构自重大幅减轻，下部结构工程量也相应减小，极大的降低了工程总造价，改善了经济指标。地震激励作用效果显著降低。
2）波形钢腹板的褶皱效应，对纵向弯矩不起抵抗作用，纵向预应力可集中加载在箱梁上、下翼缘板。并且不约束箱梁顶底板由于徐变和收缩等所产生的变形，改善结构性能，避免箱梁截面预应力损失，有效的提高了预应力效率。
3）钢腹板制作可以实现工厂化、现场拼接施工，悬臂施工时梁体自重减轻，施工过程中减少大量的模板、支架、混凝土浇筑工作，减少节段数量，加快施工进程。
4）体外预应力索可以替换，桥梁结构长期运营后出现承载力不足时，或者钢束磨损、断裂时，可在封闭交通后进行更换或加固，便于桥梁维修、补强。
5）外荷载、混凝土收缩、徐变等影响下，传统PC箱梁桥常常在腹板出现裂缝，造成混凝土截面削弱、钢筋腐蚀等，波形钢腹板PC箱梁则不会出现，结构的耐久性较好。
6）波形钢腹板具有优良的层次感和节奏感，对于大跨度变高度箱梁桥，桥梁立面富有韵律美感。
3.1.2 预应力混凝土V型连续刚构桥作为连续刚构桥的一种，具有桥面连续、行车平顺，梁体内内力分部合理、充分发挥高强材料性能，结构整体性能好，抗震能力大的特点。与连续梁桥和T型刚构桥相比具有更合理的力学性能[6，7]。
1）V墩作用使得主梁计算跨度缩短，有效减小跨中和支点的弯矩峰值，降低了梁高，节约工程材料。主梁建筑高度的减少降低桥面标高、减缓纵坡，对城市桥梁来说，便于行人、非机动车通行，对减少两岸引桥的高度和长度意义重大，改善总体经济效益。
2）上部结构轻巧美观，对于跨径较大的桥梁，主梁采用变高度，梁底线随着梁高变化而形成一条连绵优美的曲线，V型墩顶直线作为主梁曲线的停顿，可以形成强烈的节奏感。与一般连续梁、T型刚构相比，景观效果优越，可以有效地避免结构景观的雷同。
3）桥梁整体刚度可以得到大幅提高。特别是对于桥墩较高的桥梁，由于V型支撑的存在，极大的加大了支点附近梁的刚度，并相应减小了跨径，使得结构的挠度较小。
4）施工过程中，每个墩有两个相隔一定距离的支点，主梁跨度缩小后悬臂长度短，节省支架工程、省去临时固结、解除约束等，加快主梁施工进程。
波形钢腹板PC组合箱梁的V型连续刚构桥梁，在结构体系和材料使用上进行了创新，兼具了钢结构和混凝土结构的优点，结构耐久性好；波形钢腹板在箱梁侧立面具有明快的节奏感和动感的层次感，V型刚构的主梁与斜撑结构轻巧流畅，整体景观设计美观新颖，能在滨水桥梁景观群中脱颖而出；轻质化的箱梁和整体性好的V型刚构体系组合，使抗震性能更优越。
3.2 桥梁总体布置
桥梁总跨径一般根据水文计算确定，必须保证桥下有足够的排洪面面积。总跨径确定后需要进行分孔布置，根据通航要求、地形和地质情况、水文情况以及技术经济和美观的条件来确定[5]。
从“城市桥梁景观带”的概念设计理念上，绵阳市内现状桥梁略显杂乱无章，跨径从20m的空心板到202m的大跨径拱，单从跨径来讲，略显杂乱无章，缺少深入的跨径设计研究。安昌河河宽约200~400m，无通航要求，行洪安全对桥梁跨径要求不高。因此，八家堰大桥的桥跨设计和分孔布置主要从工程地质条件、经济和美观方面研究。
对于连续刚构桥，根据已建桥梁的资料统计[10]，边跨跨长ls与中跨跨长lm大致有如下关系：ls=0.63lm+4.7m。为减小次边墩不平衡恒载弯矩及方便边跨合拢施工考虑，边中跨之比宜为：ls=0.55lm。波形钢腹板PC组合箱梁桥和V型连续刚构桥的适用跨径均已达到百米以上。
研究桥梁跨径时，尚需考虑城市桥梁的桥下空间比例协调性。城市桥梁桥面标高不宜过高，若强行采用大跨径，会引起桥下净空与主跨之间比例的失调，造成压抑感，桥墩也会形成矮腿效果，失去美感；若单纯为了减少跨径、节省造价，采用预制结构，桥下墩柱林立，无法达到美观的要求。
本文借鉴国内外已建成大跨度V型刚构桥的总体设计，且考虑波形钢腹板PC组合箱梁合理的受力特性、在大跨径桥梁中应用的优势，八家堰大桥最终采用54+90+54m的跨径组合，主跨桥下净空约15m，与跨度之比约1：6，整个桥梁的比例显得比较协调。
图3.2景观效果图
4 结语
本文简述了波形钢腹板PC组合箱梁桥在工程中的研究和应用现状，重点阐述了八家堰大桥的概念设计，采用波形钢腹板PC组合箱梁的V腿刚构桥梁方案解决了该桥在城市桥梁的美学、力学和抗震性能等综合性要求。该桥型结构从结构受力、施工工艺、经济效益、美观性都有独到之处，在主跨100m左右的大跨度桥梁特别是城市桥梁建设中将有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]项海帆.桥梁概念设计[M]，北京：人民交通出版社，2011
[2]刘玉擎，组合结构桥梁[M]，北京：人民交通出版社，2005
[3]陈宝春，黄卿维，波形钢腹板PC箱梁桥应用综述[J]，公路，2005.7，No.7：（45-53）
[4]万水，李淑琴，马磊，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁结构在中国桥梁工程中的应用[J]，建筑科学与工程学报，2009.6，N0.2：（15-19）
[5]范立础，桥梁工程（上册）（第二版）[M]，北京：人民交通出版社，2012
[6]王战国，大跨度预应力混凝土V型墩连续刚构桥静力分析与工程控制[D]，浙江大学，2006
[7]王萍，V形墩连续刚构桥设计[J]，公路，1997.6，（12-13，16）
[8]刘玉擎，波折腹板组合箱梁桥梁结构体系分析[J]，桥梁建设，2005.1：（1-4）
[9]陈建兵，万水，喻文兵等，波形钢腹板PC组合箱梁弯曲性能理论分析与实验研究[J]，武汉理工大学学报，2004.1：（14-17）
[10]邵旭东，程翔云，李立峰，桥梁设计与计算，北京：人民交通出版社，2007
论文作者:杜世界
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期供稿
论文发表时间:2015/12/16
标签：腹板论文; 桥梁论文; 波形论文; 组合论文; 结构论文; 大桥论文; 预应力论文; 《基层建设》2015年15期供稿论文;