2.3 波折型钢-混凝土组合桥面结构

2.3.1 研究背景

2.3.1.1 工程背景

复杂地形、地质灾害、地震和恶劣气候等诸多不利环境因素组合，形成了十分复杂的山区建设条件，导致山区公路桥梁数量多、位置分散，桥梁建设的总体规模大、单体工程规模小。在建设条件复杂、建设规模特殊的双因素组合和驱动下，常规桥面板施工质量保证率低、耐久性差，导致桥面板承载能力低、维修更换频繁，这样既增加了养护维修成本，又严重影响公路通行能力，且山区公路网密度小，一座桥梁断道维修对整个路网的通行能力会造成极大影响，容易引起社会不满。

2.3.1.2 技术背景

常规的桥梁桥面结构主要有混凝土桥面板、叠合桥面板和钢桥面板。混凝土桥面板的自重大、施工工序复杂、受气候环境影响大，导致桥面板整体性差，富余承载能力低，如图2-63、图2-64所示。

叠合桥面板的预制精度、板梁匹配度要求较高，安装速度慢，纵、横湿接缝施工点多面广，质量控制难、病害多，结构整体性差，如图2-65、图2-66所示。

钢桥面板通常是由U形加劲肋（U肋）和桥面盖板组成，其对材料和施工要求极高（图2-67），在荷载作用下，U肋与盖板、与横隔板连接的焊缝极易产生疲劳开裂。此外，钢桥面板刚度低，沥青混凝土铺装在行车荷载与高温的耦合作用下，钢板与沥青层间的界面极易发生推移；在水与空气的共同作用下，钢板表面的防水黏结层易遭受破坏，钢桥面板锈蚀进而降低钢板与沥青混凝土之间的界面黏结强度，从而发生推移、拥包、脱落等病害，导致该结构的使用耐久性差（图2-68），并且钢桥面板用钢量大、造价高。

为了克服上述三种常见桥面板的缺点，将三种常见桥面板的优势充分发挥，结合钢材与混凝土两者的特点，团队于2002年提出了“平面型钢-混凝土组合桥面板”新结构，该桥面板是由平直底钢板和带孔钢板（PBL）、栓钉与后浇筑的混杂纤维混凝土形成的组合桥面板，如图2-69所示，并开展了大量的研究工作，已成功应用于东平大桥（2006年通车）、合江长江一桥（2012年通车）、成都草金路立交桥（2012年通车）等70余座桥梁工程建设，使用效果良好。

但平面型钢-混凝土组合桥面板加工制作安装必须按照钢结构桥梁的工艺工序流程开展施工，为了降低钢-混凝土组合桥面板施工过程中钢构件制造、安装和涂装等施工工序和施工难度，在平面型钢-混凝土组合桥面板的基础上，提出了波折型钢-混凝土组合桥面板，即将底钢板加工成波折型钢板，通过增加肋高达到增加桥面板整体截面高度，提高截面抗弯刚度的目的。波折型钢-混凝土组合桥面板的截面平均厚度较薄，仅为17 cm，但是其承载能力与平面型桥面板等效，其构造如图2-70所示。

2.3.2 主要技术问题

为解决常规桥面板施工质量保证率低、耐久性差，导致桥面板承载能力低、维修更换频繁、养护维修成本高的工程建设难题，同时为了降低钢-混凝土组合桥面板施工过程中钢构件制造、安装和涂装等工序的施工难度，需要开展新型等效厚度钢-混凝土组合桥面板技术开发研究。

基于实际工程经验及有限元计算分析，开展不同参数设置的模型试验，进行波折型钢-混凝土组合桥面板受力特性分析。波折型钢-混凝土组合桥面板与梁体连接的连接部位多为负弯矩受力区域，应特别分析该部位纵横向钢筋及弯起钢筋的布置方法。同时，结合纵横向钢筋构造位置，在波折板与主梁连接端头处设置带孔封头钢板，防止混凝土浇筑时漏出，以保证桥面板的整体工作性能。

通过模型试验验证及有限元计算模拟，建立数学、物理模型分析，结合工程实测数据及结果分析，提出波折型钢-混凝土组合桥面板构件的极限承载能力、刚度等计算方法，并通过疲劳试验验证其疲劳性能，以解决新型组合桥面板结构的设计计算技术难题。

2.3.3 主要技术成果

2.3.3.1 波折型钢-混凝土组合桥面板的构造技术

1）一般构造

经过充分的调查研究、试验验证和工程实践，在现有平面型钢-混组合桥面板的基础上提出了波折型钢-混凝土组合桥面板，该桥面板由波折型钢板、钢筋连接件、纵横受力钢筋，以及强度等级为C30或C40的现浇高性能混凝土组成，等效厚度约17 cm，该结构不仅自重轻、刚度大、承载能力高、耐久性好，而且焊接工艺简化，工程造价低。

2）底钢板与主梁的连接

波折型钢-混凝土现浇组合桥面板与钢筋混凝土梁应固结连接。重庆云阳东互通立交桥主梁采用预应力混凝土I形梁，为了实现混凝土梁与底钢板的连接，采用在I形梁顶面预埋10 cm宽钢板，钢板与梁体预埋钢筋焊接，波折钢板与主梁的连接构造如图2-71所示。

构造要求应满足：①梁体预埋钢筋的纵向间距宜为20 cm，预埋钢板的顶面应连续平整，底部混凝土应浇筑密实；②波折底钢板与预埋钢板焊接连接，且波折底钢板与预埋钢板之间的间隙不宜大于1 mm，以避免超标间隙多道焊接薄板，形成过多的内部和外观缺陷，导致承载力降低、耐久性变差。

3）负弯矩区的钢筋构造

桥面板负弯矩区的钢筋构造如图2-72所示，波折型钢-混凝土组合桥面板在负弯矩区段，宜设置弯起钢筋和负弯矩加强钢筋，弯起钢筋和负弯矩加强钢筋的直线段应延伸至负弯矩区以外，且应与梁顶预埋钢筋绑扎或焊接牢固。

桥面板负弯矩区的纵、横向受力钢筋应通长设置，钢筋直径不宜小于12 mm，平行于板肋方向上缘的钢筋直径不宜小于16 mm、垂直于板肋方向下缘的钢筋直径不宜小于16 mm。

桥面板负弯矩区的受拉钢筋配筋率宜大于2%，受拉钢筋长度应延伸至负弯矩区以外。

波折型钢-混凝土组合桥面板应设置钢筋连接件，钢筋直径宜为底钢板厚度的2~3倍，钢筋连接件宜采用HRB400钢筋，连接件间距宜为10~15 cm，钢筋连接件与波折底钢板的腹板宜采用双面焊或错位两面焊焊接，双面焊或错位两面焊的焊缝总长度不宜小于40 mm，构造示意如图2-73所示。

4）封头钢板与波折钢板和预埋钢板的连接

封头钢板的主要作用是封闭波折钢板与主梁预埋钢板间的空隙，防止混凝土浇筑时漏出。因此，封头钢板应能完全密封，防止漏浆。封头钢板设计为梯形钢板，一侧与波折钢板焊接，另一侧底边与主梁预埋钢板焊接，封头钢板与波折底钢板的下缘应齐平，当端部封头钢板与波折型底钢板不能与主梁顶面密贴时应进行修磨。封头钢板与波折钢板及预埋钢板的连接构造及封头钢板大样如图2-74所示。

5）悬臂板的构造

悬臂翼缘施工需要在高空安装、拆除支架和模板等工序，实施困难、安全风险高。根据波折型钢-混凝土组合桥面板的结构特点，提出了悬臂翼缘内骨架构造（图2-75~图2-77），该构造由角钢、钢筋连接件和封头锚固钢板构成。该构造利用封头钢板作为角钢的中支承，角钢的一端与外侧封头钢板固定连接，另一端通过钢筋连接件与底钢板固定连接。该构造利用了桥面板的既有构造形成模板，不需要另外设置支架和模板，即可完成悬臂翼缘的架设，实现了无支架、无模板化施工，降低了高空施工安全风险、经济性好。同时，内骨架在使用阶段可与悬臂翼缘共同受力，从而使组合桥面板的负弯矩承载力至少提高13%。

6）构造参数

通过模型试验，研究了不同波折底钢板厚度、不同钢筋剪力键直径、不同焊接强度的匹配关系。提出了波折底钢板厚度4~5 mm，钢筋连接件间距10~15 cm、直径12~16 mm、焊缝总长度不小于40 mm、负弯矩区受拉钢筋配筋率大于2%，桥面板总厚度15~22 cm等构造要求，见表2-14。

7）底钢板涂装体系

波折型钢-混凝土组合板用于钢格子梁、钢箱梁等钢结构时，采用与主梁相同的防腐涂装（图278）；用于混凝土梁时，采用耐候钢（图2-79），则无须涂装，减少了施工工序。

2.3.3.2 波折型钢-混凝土组合桥面板受力行为及计算方法

1）模型试验和实桥测试验证

作者团队开展了4批次，共计27件模型试验，研究了波折型钢-混凝土组合桥面板的正、负弯矩力学行为、接头的力学行为和疲劳性能，如图2-80所示。

同时，结合科研项目依托工程，开展了实桥测试验证，并和模型试验成果进行了分析研究。

2）正弯矩力学模型试验和极限承载能力计算方法

（1）正弯矩力学模型试验。组合桥面板的正弯矩承载力试验表明：桥面板破坏形态为弯曲破坏，如图2-81~图2-84所示。受拉区混凝土先出现裂缝，随着荷载不断增大，跨中钢板屈服受压区混凝土压溃。波折型钢-混凝土组合板受力全过程可近似划分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段，弹、塑性阶段满足平截面假定，进入塑性阶段后，随着荷载的增加，截面底部应变增大，应变分布曲线出现弯曲，中性轴逐渐上移。组合桥面板的整体截面变形协调一致，且承载力高、刚度大。

（2）正弯矩极限承载力计算方法。根据波折型钢-混凝土组合钢-混凝土组合桥面板力学规律，提出了波折型钢-混凝土组合桥面板的正弯矩承载力计算方法。波折型桥面板正弯矩截面抗弯承载力计算，应满足下列规定：

承受正弯矩的波折型桥面板，当 时，中性轴位于波折型桥面板的混凝土顶板内（图2-85），抗弯承载力应按下式计算：

式中 x _c ——波折型桥面板受压区高度（mm），按下式计算，当 时，取

h ₀ ——波折型桥面板有效高度（mm），即从波折型底钢板重心至混凝土受压边缘的距离；

b ——波折型桥面板单位宽度（mm）；

A _s ——波折型底钢板截面面积（单位宽度内）（mm ² ）；

f _cd ——混凝土抗压强度设计值（MPa）。

承受正弯矩的波折型桥面板，当 时，中性轴在波折型底钢板内（图2-86），抗弯承载力应按下式计算：

式中 x _c ——混凝土受压区高度（mm），按下式计算：

——波折底钢板受压区面积（mm ² ）；

Y ₁ ——波折底钢板受拉区截面拉应力合力至受压区混凝土板截面压应力合力的距离（mm）；

Y ₂ ——波折底钢板受拉区截面拉应力合力至波折底钢板受压区截面压应力合力的距离（mm）。

3）负弯矩力学模型试验和极限承载能力计算方法

（1）负弯矩力学模型试验。组合桥面板的负弯矩力学行为规律与正弯矩类似，同样呈现典型的弯曲破坏形式，如图2-87~图2-90所示，受拉区混凝土先出现裂缝，随着荷载不断增大，下缘混凝土裂缝增多且缝宽增大，最终受压区波折板与模拟主梁上翼缘钢板相交处波折底钢板翘曲。截面基本符合平截面假定。

（2）负弯矩极限承载力计算方法。根据波折型钢-混凝土组合钢-混凝土组合桥面板力学规律，提出了波折型钢-混凝土组合桥面板的负弯矩承载力计算方法。波折型桥面板负弯矩截面抗弯承载力计算应满足下列规定。

承受负弯矩的波折型合桥面板，当 时，中性轴位于波折型桥面板的混凝土顶板内（图2-91），抗弯承载力应按下式计算：

式中 x _c ——混凝土受压区高度（mm），按如下计算：

A _cd ——受压区混凝土的截面面积（单位宽度）；

Y ₃ ——受拉钢筋应力作用点至受压混凝土截面应力合力的距离；

Y ——波折底钢板截面应力合力至混凝土受压区截面应力合力的距离。

承受负弯矩的波折型桥面板，当 时，中性轴位于波折底钢板内（图2-92），抗弯承载力应按下式计算：

式中 x _c ——混凝土受压区高度，按如下计算：

4）抗剪及剪力键的力学模型试验和极限承载能力计算方法

（1）抗剪及剪力键的力学模型试验。各批次模型试验均未出现剪切破坏的情况，且试验表明：钢筋连接件的焊缝长度与组合桥面板的承载力成正比，焊缝长度30 mm时的承载力比10 mm时提高50%，如图2-93~图2-96所示。

（2）抗剪承载力及剪力键抗剪实用计算方法。总结波折型钢-混凝土组合钢-混凝土组合桥面板力学规律，提出了波折型钢-混凝土组合桥面板抗剪承载力及剪力键抗剪实用计算方法。

波折型桥面板，垂直于波折方向的斜截面抗剪承载力应按下式计算：

式中 V _d ——波折型桥面板斜截面上的剪力设计值（N）；

W _r ——波折型桥面板剪力作用范围内的有效肋宽（mm）（图2-97）；

h ₀ ——波折型桥面板的有效高度，即从波折底钢板重心至混凝土受压边缘的距离（mm）。

波折型桥面板，钢筋连接件的抗剪承载力应按下计算：

式中 V _zd1 ——单个钢筋连接件抗剪承载力设计值（N）；

A _s1 ——单个钢筋连接件钢筋截面面积（mm ² ）；

E _c ——混凝土弹性模量（MPa）；

f _cd ——混凝土的轴心抗压强度设计值（MPa）；

f _d1 ——钢筋连接件的抗拉强度设计值（MPa）。

5）波折型钢-混凝土组合桥面板疲劳性能试验

疲劳试验表明：在正负弯矩疲劳荷载作用下，200万次以内，组合桥面板的弯曲刚度基本不衰减，不出现疲劳问题，如图2-98、图2-99所示。

2.3.3.3 施工及质量控制技术

1）波折底钢板的加工制造及精度控制

钢板通过平整机进行轧制，完成初平和精平，在板材开卷校平线上，设置高速剪板机，经整平后的钢板通过剪板机快速准确裁切成需要的尺寸。按设计图纸要求，采用钢卷尺测量每一道波折尺寸和位置，并标记折线位置，再用角磨机在标记处切出折弯点，采用折弯机进行多次反复折压成型，如图2-100所示。

采用折弯机成型时，由于要进行多次反复折压（图2-101），钢板放置位置不同，温度或者加载角度发生微小变化，都会对波形产生较大的影响，精度控制较为困难。经多次折弯试验，提出加工质量控制要点：①从中间开始，分别向两侧弯折，以减小累积变形；②控制上模与弯折点位置误差不超过0.5 mm，加载角度的误差不超过0.5°；③加工前应培训工人加工技术要点和精度要求，并先制作小样，检验满足要求后方可进行批量生产。对成型好的波折底钢板，检验斜对角线方向平整度允许偏差不超过±0.5 mm（图2-102）。

2）波折底钢板的安装

底钢板安装前，先在桥下拼装场完成封头钢板与波折底钢板的组装焊接，当端部封头钢板与波折型底钢板不能与主梁顶面密贴时应进行修磨；波折底钢板安装时，先在纵横格子梁上放出底钢板四个顶点位置，然后用吊机吊起底钢板至安装位置，人工调整并精确定位，最后将封头锚固钢板与纵横格子梁焊接，如图2-103~图2-106所示。

3）悬臂板的安装

悬臂翼缘施工时，先将底钢板吊装到位，人工精确定位底钢板，并与梁顶预埋钢板焊接，然后安装翼缘内骨架角钢，将角钢插入封头锚固钢板槽口并焊接牢固，最后将钢筋剪力键扣挂在角钢上，并与波折底钢板焊接，形成混凝土浇筑的模板，如图2107~图2-110所示。实桥试验表明，悬臂翼缘内骨架构造具有较大的刚度，且承载能力强。

4）钢筋连接件的焊接

波折型钢-混凝土组合桥面板采用钢筋连接件，钢筋连接件与波折底钢板的腹板采用双面焊或错位两面焊焊接（图2-111），焊缝总长度不宜小于40 mm。在施工场地、人员安排、吊装设备等满足要求的条件下，钢筋连接件可在厂内完成焊接工作，再与波折底钢板一同架设。一方面焊接质量更有保障，另一方面降低了底钢板与纵横梁的焊缝应力。

5）质量控制技术

通过工艺试验和工程实践总结，提出了混凝土拌合物、波折底钢板制造及安装、混凝土浇筑及养护的质量检查及验收指标要求，见表2-15。

2.3.4 主要工程应用

波折型钢-混凝土组合桥面板不仅重量轻、整体性好、用钢量更加节约，而且施工工序少、质量控制简单，同时适用钢结构和混凝土结构主梁，经过四川泸州车辋大桥、重庆云阳东互通立交桥等工程实际应用，现在已经推广应用在沿江高速公路瓦石窝大桥、成都—乐山扩容改造高架桥等工程，推广应用前景广阔，见表2-16。