大跨徑連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)探討

張維(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院)

大跨徑連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)探討

張維
(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院)

摘要:作為工程建設(shè)中的常用構(gòu)造形式，大跨徑連續(xù)鋼箱梁可有效改善高速公路和城市道路工程建設(shè)質(zhì)量。本文以某跨河橋?yàn)槔龑Υ罂鐝竭B續(xù)箱梁設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，然后探討了其結(jié)構(gòu)計(jì)算及內(nèi)力調(diào)整方法，以期為相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞:大跨徑;連續(xù)鋼箱梁;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

文章編號(hào):1008－3383(2015)04－0135－01

1　大跨徑連續(xù)箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

1. 1總體布局

跨徑按照63 m + 100 m + 60 m的方式布置，總長度為223 m;梁高變化段長度控制在28 m左右，采用二次拋物線的變化線形;上部結(jié)構(gòu)使用變截面鋼箱梁，中支點(diǎn)梁高度控制在4 m，邊支點(diǎn)梁高控制在3 m。箱梁采用單箱單室直鋼腹板斷面，單箱寬度為6．75 m，兩側(cè)均采用3 m的懸臂，橋面整體寬度為12．75 m。

1. 2支點(diǎn)構(gòu)造分析

支點(diǎn)處的橫梁一方面要依據(jù)構(gòu)造需求對加勁板進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一方面要做好局部應(yīng)力分析。依據(jù)Midas Civil2010板單元模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果發(fā)下支座上部橫梁存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題。為降低支點(diǎn)位置橫梁應(yīng)力，可在支點(diǎn)周圍設(shè)置橫梁，并將橫梁同支座加勁板相連接，使其發(fā)揮協(xié)同作用以降低局部應(yīng)力集中。依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此種構(gòu)造方式局部應(yīng)力可降低45%以上。

1. 3連續(xù)箱梁整體分析

采用橋梁博士3．2．0對箱梁進(jìn)行整體統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算主要使用Midas Civil2010。橋梁不同單元的長度均在1 m以下，中間支點(diǎn)采用豎向及水平結(jié)合約束方式，其余4個(gè)支點(diǎn)則采用豎向約束方式。

(1)橋面與橋梁間可采用縱橫雙向和縱向結(jié)合方式，采用縱橫雙向結(jié)合方式會(huì)增大鋼筋使用量，其板厚可通過橫向力進(jìn)行調(diào)整;采用縱向結(jié)合方式，混凝土板的橫向受力方便控制，可通過預(yù)應(yīng)力對板厚進(jìn)行調(diào)整。在本橋梁設(shè)計(jì)中采用縱向結(jié)合方式，并配置固定量的橫向預(yù)應(yīng)力束，以滿足縱向受力及橫向受力的需求;

(2)因橋梁采用連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，需考慮負(fù)彎矩影響，負(fù)彎矩一般會(huì)存在中間墩周圍，其會(huì)使上緣混凝土保持受拉狀態(tài)。由于橋梁跨徑較大，使用的結(jié)構(gòu)鋼梁相對較大，所以在設(shè)計(jì)中橋面鋪裝選擇用鋪裝環(huán)氧瀝青或者安裝鋼纖維混凝土與剪力釘?shù)姆绞絹磉M(jìn)行處理。本工程選擇以鋪裝環(huán)氧瀝青的方式進(jìn)行施工，首先應(yīng)保證混合料的質(zhì)量，將其溫度控制在180～190℃，瀝青加熱溫度控制在170℃，環(huán)氧樹脂加熱溫度控制在60℃，最終環(huán)氧瀝青混凝土出料溫度應(yīng)該為165℃左右，這樣可以滿足壓實(shí)施工所需溫度，保證碾壓質(zhì)量滿足施工要求。其次，在攤鋪碾壓時(shí)，要求所有機(jī)械設(shè)備都應(yīng)該在橋面范圍意外，在鋪裝過程中不允許停機(jī)加油。碾壓設(shè)備確定為3臺(tái)輪胎式壓路機(jī)，2臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)，組合式碾壓，最終將最小壓實(shí)度控制在97%以上。最后，還需要做好接縫處理，其中鋪裝層橫、縱施工縫都采用45°斜接縫方式，切縫后應(yīng)將切除的部分清除，并以鋼刷去除不穩(wěn)定顆粒，保證工作面干凈無雜物。

1. 4主鋼板厚度擬定

鋼箱梁主要由底板、頂板及腹板構(gòu)成。底板厚度可通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算進(jìn)行設(shè)定，腹板厚度則通過構(gòu)造方式進(jìn)行設(shè)定，且可利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。

支點(diǎn)附近的頂板厚度通過計(jì)算設(shè)定，此處主要探討標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚度的設(shè)定方法。頂板厚度的下限值可由橋面鋪裝方式?jīng)Q定，本橋梁采用鋼橋面，使用瀝青混凝土進(jìn)行澆筑鋪裝，依據(jù)計(jì)算并分析以往鋼橋面實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)頂板厚度在14 mm以下時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度常常不足，橋面鋪裝很容易受到破壞。將不同板厚與U肋厚度進(jìn)行組合，構(gòu)建空間有限元板殼模型，對局部荷載條件下的橋面結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，且優(yōu)化比較橋面板與加勁肋厚度通用尺度參數(shù)。橋面板與加勁肋優(yōu)化組合參數(shù)如表1所示:

表1　橋面板與加勁肋優(yōu)化組合次序

在上述分析中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂板厚度采用14 mm時(shí)，橋面板的剛度過低，應(yīng)力集中且較大，同時(shí)相比U肋厚度，橋面板厚度對橋面結(jié)構(gòu)受力影響更大。因此在綜合分析結(jié)構(gòu)耐久性和剛度等因素基礎(chǔ)上，選用16 mm的橋面板與8 mmU肋進(jìn)行組合具有更高的合理性。

1. 5鋼梁與加勁結(jié)構(gòu)

本橋梁工程腹板最高可達(dá)到4 m，并且厚度比較大，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，除了要設(shè)置足夠數(shù)量橫向加勁板同時(shí)還需要設(shè)置更多的縱向加勁肋。結(jié)合工程數(shù)據(jù)，在設(shè)置縱向加勁肋時(shí)，不同高度腹板對應(yīng)的縱向加勁肋數(shù)量以及位置不同，再加上主梁順橋向不同位置具有的彎矩、剪力以及局部豎向力等不同，在設(shè)計(jì)縱向加勁肋位置以及數(shù)量時(shí)，應(yīng)結(jié)合腹板厚度、高度以及各局部要求進(jìn)行計(jì)算，保證全橋腹板安全性、經(jīng)濟(jì)性。

鋼橋面板加勁肋截面形式主要包括開口與閉口兩種，與之對應(yīng)的加勁肋為開口加勁肋與閉口加勁肋，其中開口加勁肋包括L形、平鋼板形以及倒T形，閉口加勁肋包括矩形、梯形以及U形等。通過設(shè)置加勁肋能夠提高腹板抗扭勁度與抗彎剛度，減小鋼板應(yīng)力，加勁肋壁厚與開口形狀的確定，應(yīng)以橋梁工程實(shí)際需求來確定。

2　大跨徑連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算及內(nèi)力調(diào)整

2. 1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用MIDAS通用結(jié)構(gòu)分析軟件對工程整體實(shí)施空間有限元計(jì)算分析及內(nèi)力調(diào)整。計(jì)算時(shí)需重點(diǎn)分析底板及頂板加勁肋的影響，因此使用折算為底、頂板厚度的方式同時(shí)對應(yīng)力和剛度實(shí)施等效模擬，以確保設(shè)計(jì)截面與簡化截面具備一致的抗彎模量及抗彎剛度。折算后頂板厚度提高3 mm，底板厚度提高2 mm，此種處理方式可有效促進(jìn)模型簡化，提高運(yùn)算效率，可大幅度優(yōu)化施工階段的主梁位移與內(nèi)力調(diào)整和控制試算過程。

2. 2內(nèi)力及線形調(diào)整方式

橋梁在進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)及制定時(shí)，需考慮在立交上層中央分隔帶附近安置臨時(shí)支撐墩;若無法安置則跨中間一定長度的梁段可采用簡支方式進(jìn)行安裝。為確保橋線形與設(shè)計(jì)值有效接近，鋼梁應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采用相鄰跨跨中頂升，等到縱向連接構(gòu)造成橋型后再將臨時(shí)墩拆除，類似于通過作用反向力來對線形和內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。

2. 3施工方案

選擇頂推方式進(jìn)行施工，此種方式具有機(jī)械設(shè)備簡易，節(jié)省施工用地等特點(diǎn)，整個(gè)操作過程相對簡單。并且此種施工方式，模板可以周轉(zhuǎn)，不會(huì)對已存道路造成影響。施工主要可以分為搭設(shè)臨時(shí)墩、鋼箱梁拼接、安裝滑動(dòng)裝置、鋼箱梁頂推到位、落梁等幾個(gè)步驟，其中最后一個(gè)步驟落梁需要尤其注意，應(yīng)提前做好各階段管理工作，安排好相應(yīng)施工人員，并配置相關(guān)設(shè)備與通訊器材等，在完成技術(shù)交底的情況下統(tǒng)一指揮進(jìn)行施工。整個(gè)施工過程中必須要完全按照設(shè)計(jì)施工方案來進(jìn)行，并做好施工記錄，以免事故的發(fā)生。

3　結(jié)束語

大跨徑連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接關(guān)系著立交公路工程或高架工程的整體施工質(zhì)量及功能使用，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)大跨徑連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)研究，總結(jié)連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)構(gòu)造方式、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法及關(guān)鍵部位技術(shù)處理措施，以逐步改善大跨徑連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)水平，提高工程整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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作者簡介:張維(1981－)，男，工程師，研究方向:橋梁工程。

收稿日期:2015－03－23