高架連續(xù)組合鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊民榮

（上?？泼冷摻Y(jié)構(gòu)有限公司 200235）

引言

在進(jìn)行高架連續(xù)組合鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮到連續(xù)組合鋼箱梁結(jié)構(gòu)的通用性能比較理想，因此能夠根據(jù)具體運(yùn)行的情況進(jìn)行跨徑的布設(shè)，同時(shí)在對(duì)建筑高度尺寸進(jìn)行分析的前提下，考慮到建筑外部美觀效果的影響，對(duì)于高架連續(xù)組合鋼箱梁的高度進(jìn)行合理調(diào)整，進(jìn)而減少鋼材的使用數(shù)量，降低工程造價(jià)，連續(xù)組合鋼箱梁荷載比較輕，因此應(yīng)當(dāng)開(kāi)展偏心調(diào)節(jié)等有效方式，讓邊墩的兩個(gè)支座的受力保持平衡，避免支座裝置發(fā)生脫空情況，而且可以對(duì)城市中高架橋梁以及焊接工藝的性質(zhì)進(jìn)行分析，對(duì)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方式進(jìn)行修訂補(bǔ)充。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2015年7 月～2018年3月，S7公路（S20-主線收費(fèi)站）新建工程墩號(hào)Pne 9～Pne 12（32+43+32m）高架連續(xù)組合鋼箱梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

連續(xù)組合鋼箱梁梁寬10m，總長(zhǎng)107m，共分3跨，跨度為32m、43m、32m。梁下部設(shè)兩根鋼箱梁，梁寬2.6m，高2.25m，兩根鋼箱梁內(nèi)側(cè)腹板間距3.5m，兩根鋼箱梁之間間隔6m設(shè)置一道橫梁，橫梁梁高1m。每個(gè)墩處設(shè)兩個(gè)支座，中間設(shè)置支座橫梁連接，Pne10墩處由于墩在橫梁外側(cè)，故設(shè)置外伸橫梁連接支座。鋼梁上部設(shè)0.3m厚鋼筋混凝土橋面板，與鋼梁一同參與受力。

根據(jù)連續(xù)鋼箱梁受力特點(diǎn)，對(duì)鋼箱梁的板厚進(jìn)行了劃分。中支座處受力較大，故在中支座兩側(cè)8.5m范圍內(nèi)設(shè)頂板厚40mm、腹板厚20mm、底板厚40mm，外伸橫梁底板厚45mm。邊支座處7.51m范圍內(nèi)設(shè)頂板厚25mm、腹板厚20mm、底板厚25mm?？缰性O(shè)頂板厚30mm、腹板厚14mm、底板厚30mm。鋼箱梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鋼箱梁腹板和底板穩(wěn)定性要求。除間隔6m（在橫梁處）設(shè)置橫向隔板外，鋼箱梁腹板間隔1.5m設(shè)置豎向加勁肋，距梁頂板底面0.47m處設(shè)置一道腹板縱向加勁肋；鋼箱梁底板設(shè)置四道縱向加勁肋，間距0.4m。在中支座負(fù)彎矩區(qū)，鋼箱梁腹板在距梁底板頂面0.47m處設(shè)置一道腹板縱向加勁肋；鋼箱梁底板間隔1.5m設(shè)置“T”形橫向加勁肋。鋼梁上部鋼筋混凝土橋面板，為了與鋼梁一同參與受力在鋼梁頂板上設(shè)置剪力釘，剪力釘間距支座處0.2m、跨中0.3m。在中支座負(fù)彎矩區(qū)，橋面板頂面增設(shè)負(fù)彎矩鋼筋。

圖1 鋼箱梁斷面結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)合理布置后，建立空間模型，經(jīng)軟件計(jì)算后，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)評(píng)審，順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 連續(xù)組合鋼箱梁結(jié)構(gòu)布置

因?yàn)榈叵虏糠止艿谰€路以及地上交通條件的局限性，所以連續(xù)組合鋼箱梁的跨徑布置并沒(méi)有特定的規(guī)定，不過(guò)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能夠利用頂板以及底板厚度尺寸的變化來(lái)對(duì)鋼板內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，基本上不會(huì)給設(shè)計(jì)工作和施工作業(yè)帶來(lái)較大的障礙，而對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)對(duì)于合理跨徑的布置有一定要求，因此會(huì)在很大程度上提高設(shè)計(jì)以及施工階段的工作強(qiáng)度，所以考慮到城市范圍內(nèi)高架線路的一定規(guī)格跨徑橋梁區(qū)域內(nèi)部，連續(xù)組合鋼箱梁能夠依靠實(shí)際條件自由進(jìn)行調(diào)整，其基本特點(diǎn)就是對(duì)于跨徑變化的適應(yīng)效果比較好。

通常來(lái)說(shuō)連續(xù)組合鋼箱梁的截面形狀為單箱單室，鋼箱梁的凈高度尺寸為1.8m，其底板一般設(shè)置成水平狀態(tài)，鋼箱梁兩邊的懸臂結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺寸都是2m，鋼箱梁的頂部板材利用U型加勁結(jié)構(gòu)，底部板材利用的是船用球扁鋼加勁，而處于鋼箱梁的縱向位置，相隔兩米距離會(huì)設(shè)置橫向的框架結(jié)構(gòu)橫梁裝置，鋼箱梁的兩次利用上牛腿的性質(zhì)在對(duì)應(yīng)的蓋梁上部進(jìn)行支撐作用，并且和空心板材進(jìn)行連接。

對(duì)于高架連續(xù)組合鋼箱梁進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的主要要求之一是有效對(duì)鋼箱梁的高度尺寸進(jìn)行選擇確定，通常在進(jìn)行鋼箱梁高度尺寸確定的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)成本因素、剛度因素以及建筑允許高度因素三者進(jìn)行詳細(xì)論證。通常利用成本因素能夠得到組合鋼箱梁的經(jīng)濟(jì)高度尺寸，通過(guò)實(shí)際分析研究可以知道經(jīng)濟(jì)高度尺寸的數(shù)值一般都比較大，和具體設(shè)計(jì)中的連續(xù)組合鋼箱梁可能高度尺寸比較起來(lái)，經(jīng)濟(jì)高度尺寸的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)后者的尺寸，而通過(guò)剛度因素確定得到的鋼箱梁最小高度數(shù)值通常都會(huì)和具體設(shè)計(jì)階段得到的鋼箱梁可能高度比較一致，不過(guò)通常在一定程度上提高鋼材使用數(shù)量，當(dāng)鋼箱梁的高度發(fā)生變化是，不同設(shè)計(jì)指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，具體情況見(jiàn)表1所示。

表1 梁高變化對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響

從表1中能夠得出結(jié)論，如果在一定程度上上調(diào)連續(xù)組合鋼箱梁的高度，則鋼材使用數(shù)量的增加幅度不會(huì)太大，不過(guò)能夠反應(yīng)應(yīng)力分布的鋼箱梁截面抗彎模量指標(biāo)有很大幅度的增加，而活載撓跨比指標(biāo)則會(huì)在很大程度上降低，所以對(duì)于城市中中等跨徑的高架連續(xù)組合鋼箱梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要鋼箱梁的高度尺寸設(shè)計(jì)情況許可，最好在一定程度上調(diào)高鋼箱梁的高度尺寸，最終實(shí)現(xiàn)降低鋼材用量，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效率的目的。

3 連續(xù)組合鋼箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 連續(xù)組合鋼箱梁整體計(jì)算

對(duì)于連續(xù)組合鋼箱梁進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算通常必須首先對(duì)連續(xù)組合鋼箱梁的重要指標(biāo)比如鋼梁腹板剪應(yīng)力、鋼箱梁上緣和下緣的應(yīng)力分布、不同支點(diǎn)的反作用力、鋼箱梁的變形程度以及鋼箱梁的整體內(nèi)力分布進(jìn)行計(jì)算，尤其是上述重要指標(biāo)在不同運(yùn)行階段核定荷載以及交通工具荷載作用下的變化情況進(jìn)行確定。

對(duì)于連續(xù)組合鋼箱梁的剪力指標(biāo)以及整體彎矩指標(biāo)能夠利用曲梁結(jié)構(gòu)或者完全使用跨徑一致的直梁結(jié)構(gòu)作為計(jì)算的圖式進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算，對(duì)于連續(xù)組合鋼箱梁的曲率半徑比較大的條件下，利用直梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得到的剪力數(shù)值和彎矩?cái)?shù)值和實(shí)際受到的彎矩值和剪力值差別并不大，基本上可以適應(yīng)規(guī)范中的設(shè)計(jì)規(guī)定。

連續(xù)組合鋼箱梁以及直梁結(jié)構(gòu)的基本區(qū)別就是如何對(duì)于扭矩值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于曲梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)即便是在恒定荷載影響下也會(huì)出現(xiàn)扭矩作用，而在存在兩個(gè)支座裝置進(jìn)行支撐作用的位置，因?yàn)槌霈F(xiàn)扭矩影響，會(huì)讓兩個(gè)支座裝置在恒定荷載的影響下使得兩個(gè)支撐出現(xiàn)的反作用力數(shù)值不一致，在很多情況甚至差別還會(huì)比較大。

因?yàn)樯鲜銮闆r，在連續(xù)組合鋼箱梁的實(shí)際負(fù)載時(shí)，因?yàn)榛顒?dòng)載荷有可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)反作用力，而因?yàn)閮?nèi)部一個(gè)支座裝置的壓力荷載不夠大，有很大可能發(fā)生支座裝置脫空的情況，如果想要讓兩個(gè)支座裝置的支反力實(shí)現(xiàn)平衡，防止在鋼箱梁的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)反作用力，可以利用兩種措施進(jìn)行處理。

（1）措施是對(duì)鋼箱梁?jiǎn)吸c(diǎn)支撐裝置的橫向偏距進(jìn)行有效調(diào)整，對(duì)鋼箱梁?jiǎn)吸c(diǎn)支撐裝置的橫向偏距進(jìn)行調(diào)整的第二個(gè)作用是能夠有效的對(duì)曲梁中的扭矩分布進(jìn)行改變，從而可以讓整個(gè)曲梁結(jié)構(gòu)的抗扭情況出現(xiàn)比較有利的變化，同時(shí)也可以在一定程度上減少扭轉(zhuǎn)的剪應(yīng)力，不過(guò)對(duì)于曲梁結(jié)構(gòu)的扭矩進(jìn)行調(diào)整以及對(duì)兩個(gè)支座結(jié)構(gòu)的支反力進(jìn)行調(diào)整在很多情況下無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，通常都無(wú)法在同一時(shí)間將兩個(gè)指標(biāo)都調(diào)整到理想效果。而在實(shí)際鋼箱梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須依靠項(xiàng)目的具體情況對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分析研究，進(jìn)而通過(guò)設(shè)計(jì)解決最關(guān)鍵的問(wèn)題。

（2）措施是對(duì)兩個(gè)支座裝置的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)讓兩個(gè)支座裝置之間的距離變大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)讓恒定荷載的反作用力均化以及減少活動(dòng)荷載負(fù)反力的效果，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中利用了鋼制結(jié)構(gòu)，恒定荷載比較小，所以邊墩設(shè)施如果在交通工具荷載影響下有很大可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力的情況，基于上述情況，最好對(duì)支撐的橫向偏距指標(biāo)開(kāi)展有效調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)作業(yè)讓邊墩設(shè)備的兩個(gè)支座支反力數(shù)值逐漸變得一致或者達(dá)到平衡狀態(tài)。

3.2 連續(xù)組合鋼箱梁局部計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)高架連續(xù)組合鋼箱梁的橋面結(jié)構(gòu)是包括橋面的鋼制板材、框架橫梁結(jié)構(gòu)以及U型縱向加勁結(jié)構(gòu)等部件共同構(gòu)成，能夠當(dāng)做正交類型的異性橋面板結(jié)構(gòu)，高架橋面鋼制板材的縱向應(yīng)力分布是在鋼箱梁整體受到外界荷載作用情況下的彎曲正應(yīng)力以及在受到局部橋面荷載的部分應(yīng)力的組合結(jié)果。

在對(duì)U型縱向加勁構(gòu)成的小型縱梁結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，能夠利用正交異性板法求解，此外還能夠把縱梁結(jié)構(gòu)當(dāng)做彈性的支撐連續(xù)小梁來(lái)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，使用上述措施比較簡(jiǎn)單直接，而且容易操作，完全能夠適應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范的需求。

而對(duì)于腹板結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力計(jì)算來(lái)說(shuō)：①要考慮受到豎直方向剪力導(dǎo)致的剪應(yīng)力作用；②還必須累加因?yàn)榕ぞ刈饔脤?dǎo)致的自由扭轉(zhuǎn)的剪應(yīng)力以及約束扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的作用，而后面兩種類型的剪應(yīng)力所占據(jù)的比例比較大，不能進(jìn)行直接省略，應(yīng)當(dāng)依靠腹板剪應(yīng)力的數(shù)值大小，對(duì)腹板加勁進(jìn)行調(diào)整，避免鋼箱梁局部出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定。在進(jìn)行局部計(jì)算過(guò)程中，還必須對(duì)高架連續(xù)組著鋼箱梁兩端的挑臂結(jié)構(gòu)、框架橫梁結(jié)構(gòu)以及單點(diǎn)支撐支座上的橫梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展相應(yīng)的計(jì)算。

3.3 連續(xù)組合鋼箱梁的疲勞強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于公路橋梁結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于城市交通樞紐中的高架橋結(jié)構(gòu)中，通常設(shè)計(jì)荷載是汽車20級(jí)，重型車輛重量達(dá)到300kN以上，對(duì)于一般車輛來(lái)說(shuō)其重量超過(guò)200kN以上，不過(guò)在橋梁的具體運(yùn)行過(guò)程中，較大噸位的車輛數(shù)量不多，在整個(gè)橋梁運(yùn)行期間通過(guò)的車輛中所占的比例不高，大部分通行車輛都是噸位較小的小型汽車，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有資料分析研究可以得出結(jié)論，在目前國(guó)內(nèi)城市中高架橋梁運(yùn)行中超過(guò)100KN以上的重型車輛數(shù)量?jī)H僅占到通行總車輛數(shù)量的1%左右，超過(guò)2/3以上的車輛噸位不超過(guò)20kN。

在受到較長(zhǎng)時(shí)間變應(yīng)力的影響下，連續(xù)組合鋼箱梁會(huì)出現(xiàn)疲勞性破壞情況，而同時(shí)對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的鋼箱梁來(lái)說(shuō)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度指標(biāo)能夠產(chǎn)生主要影響的因素應(yīng)當(dāng)是應(yīng)力幅的高低，而不是應(yīng)力比的大小，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于公路鋼制橋梁的規(guī)范中對(duì)于疲勞計(jì)算的規(guī)定則是利用應(yīng)力比作為計(jì)算前提的，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一定程度的修訂和補(bǔ)充。

4 結(jié)論

對(duì)于高架連續(xù)組合鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，因?yàn)椴煌绊懸蛩氐膮^(qū)別，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)對(duì)整體設(shè)計(jì)程序加以強(qiáng)調(diào)，并且根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行詳細(xì)分析判斷，而在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程必須通過(guò)設(shè)計(jì)人員采取特定的設(shè)計(jì)模式作為研究基礎(chǔ)，并且考慮到影響因素的特殊情況，在實(shí)踐階段根據(jù)施工特點(diǎn)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，連續(xù)組合鋼箱梁結(jié)構(gòu)在高架中使用較為廣泛，應(yīng)當(dāng)在目前常見(jiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范要求下進(jìn)行設(shè)計(jì)體系的優(yōu)化，從而達(dá)到最終的理想效果。