小半徑曲線上鋼箱梁匝道橋設(shè)計(jì)

劉 潤(rùn) 舟

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南昌院，江西 南昌 330002)

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車保有量的快速增長(zhǎng)，對(duì)道路互聯(lián)互通的要求進(jìn)一步提高，隨之出現(xiàn)了大量的立交。在分離式和互通式立交橋中，為實(shí)現(xiàn)道路轉(zhuǎn)向功能、減少占地、避讓建(構(gòu))筑物、節(jié)省投資，曲線梁匝道橋被廣泛應(yīng)用，其曲線半徑非常小，一般在50 m～150 m之間。在曲線半徑小，而需要的跨度比較大時(shí)，常采用鋼箱梁以避免預(yù)應(yīng)力混凝土梁因鋼束的外崩，以及彎剪扭效應(yīng)在不同腹板分布差異而導(dǎo)致應(yīng)力狀況較為復(fù)雜的情況，確保橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]安全可靠。

1 工程概況

本橋?yàn)锳匝道第五聯(lián)，為跨越既有20 m寬城市道路及新建E,F匝道而設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)采用(27+50+25)m等高度鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)A14號(hào)～A17號(hào)墩為花瓶墩，墩高約7 m～9 m，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁全寬為8.5 m，平面位于R-60 m曲線上，其平面布置見圖1。

1.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)計(jì)算行車速度：40 km/h。

2)設(shè)計(jì)荷載：城—A級(jí)。

3)抗震設(shè)防：地震動(dòng)峰值加速度0.05g，基本烈度為6度。

4)安全等級(jí)：一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。

5)環(huán)境類別：Ⅰ類。

6)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

1.2 主要材料

主梁采用Q345qC鋼材，橋面鋪裝分兩層：下層為15 cm厚C50鋼纖維混凝土；上層為4 cm厚(SMA-13)改性瀝青混凝土+6 cm厚(AC-20)中粒式瀝青混凝土。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主梁全長(zhǎng)102 m，梁頂面寬度8.5 m，懸臂長(zhǎng)度1.35 m，采用單箱雙室斜腹板橫斷面，鋼箱梁采用縱橫梁加頂、底板焊接而成，鋼箱梁設(shè)三條腹板，板厚16 mm，腹板間距2 m；箱梁頂板下每隔440 mm左右設(shè)置一道U形縱向加勁肋，底板上緣每隔440 mm設(shè)置一道Ⅰ形縱向加勁肋。箱梁頂板在支點(diǎn)左右兩側(cè)900 mm范圍內(nèi)板厚36 mm，中跨板厚18 mm，邊跨板厚16 mm的鋼板。箱梁底板在支點(diǎn)左右兩側(cè)1.3 m范圍內(nèi)板厚36 mm，中跨板厚20 mm，邊跨板厚18 mm的鋼板，頂?shù)装搴穸茸兓幵O(shè)過渡段。鋼箱梁橫隔板厚16 mm，橫隔板縱向布置間距為2.0 m，按照每?jī)傻廊鯔M隔板、一道強(qiáng)橫隔板的方式間隔布置，其橫斷面布置如圖2所示。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算原則及參數(shù)

1)鋼箱梁自重：78.5 kN/m3。

2)二期恒載：瀝青混凝土橋面鋪裝容重取25 kN/m3，混凝土現(xiàn)澆層容重取26 kN/m3，單側(cè)防撞護(hù)欄重量按13 kN/m取值。

3)汽車荷載：城—A級(jí)。

4)溫度荷載：整體升、降溫差20 ℃，梯度溫差T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，A=300 mm。

5)支點(diǎn)沉降：中支點(diǎn)最大沉降10 mm，邊支點(diǎn)最大沉降5 mm。

3.2 計(jì)算方法

采用Midas Civil軟件進(jìn)行全橋縱向整體計(jì)算，主梁劃分為58個(gè)單元，邊支點(diǎn)及中支點(diǎn)附近增設(shè)加勁肋，其自重以集中力形式作用于支點(diǎn)處。根據(jù)橋面布置，汽車按最不利情況進(jìn)行影響線加載。梁體4個(gè)橋墩處均設(shè)雙支座，約束橋梁相應(yīng)方向的變形。根據(jù)不同施工階段，激活相應(yīng)單元、施加該階段荷載模擬施工過程，靜力計(jì)算模型如圖3所示。

3.3 施工階段劃分

主要施工步驟為澆筑橋墩和設(shè)臨時(shí)支墩、吊裝墩頂處鋼橫梁、吊裝鋼箱梁節(jié)段、焊接節(jié)段接頭、澆筑節(jié)段壓重混凝土、施工橋面現(xiàn)澆層、澆筑兩側(cè)混凝土護(hù)欄、攤鋪橋面鋪裝層瀝青混凝土。

3.4 靜力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，在各荷載組合下，強(qiáng)度滿足規(guī)范[2]要求，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 基本組合下正應(yīng)力 MPa

基本組合下，上緣最大正應(yīng)力為79.4 MPa，下緣最大正應(yīng)力為141.4 MPa，箱梁上下緣正應(yīng)力均小于270 MPa，滿足要求?；窘M合下，鋼梁剪應(yīng)力57.4 MPa小于160 MPa，滿足規(guī)范[3]要求。

由汽車車道荷載引起的連續(xù)鋼箱梁橋最大豎向撓度小于計(jì)算跨徑的1/500。即最大活載豎向撓度為20.4 mm<50 000/500=100 mm，剛度滿足要求。

4 預(yù)拱度設(shè)置

箱梁預(yù)拱度大小應(yīng)視實(shí)際需要而定，宜為結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值加1/2車道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度值，頻遇值系數(shù)為1.0。本聯(lián)鋼箱梁由于邊跨較小，邊跨撓度較小，不設(shè)預(yù)拱度，僅中跨設(shè)置預(yù)拱度，鋼箱梁在恒載和活載下的撓度分別如圖4,圖5所示。

恒載的中跨跨中撓度為39 mm，活載的跨中撓度為21 mm，以恒載+1/2活載撓度作為跨中預(yù)拱度，即最大預(yù)拱度為49 mm，預(yù)拱度應(yīng)保持橋面曲線平順，可以二次拋物線或其他光滑曲線形式由跨中往兩中支點(diǎn)處過渡設(shè)置。

5 穩(wěn)定性驗(yàn)算

曲線上的橋梁應(yīng)進(jìn)行抗傾覆[4]驗(yàn)算，其主要內(nèi)容包括：基本組合下單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)，其支座反力詳見表2；標(biāo)準(zhǔn)組合下整體穩(wěn)定效應(yīng)與傾覆效應(yīng)的比值，即傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于2.5，其驗(yàn)算過程詳見表3。

表2 基本組合下各支座反力

表3 標(biāo)準(zhǔn)組合下的穩(wěn)定性

由表3可知，在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)，作用標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于2.5，滿足規(guī)范抗傾覆要求。

6 結(jié)語

鋼箱梁橋在小半徑曲線匝道上有著廣泛的適用性，有著混凝土結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，其受力特性亦不同于直線上的橋梁。在恒載作用下，曲線內(nèi)、外側(cè)支反力不同，半徑越小的橋梁這種現(xiàn)象越明顯，甚至相差懸殊。在活載作用下，外側(cè)偏載將使內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力，進(jìn)一步加重了梁體往外側(cè)翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。此時(shí)應(yīng)采取支點(diǎn)處橫隔梁內(nèi)壓重、調(diào)整支座橫向距離、設(shè)置墩梁固結(jié)及縱橫向限位等構(gòu)造措施控制支座脫空[5]，并避免梁體發(fā)生整體失穩(wěn)，以滿足設(shè)計(jì)要求。