變截面連續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究

戚中洋 王 爽

(1.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司 北京 100000；2.武漢隆方工程技術(shù)有限公司 武漢 430033)

為加快建設(shè)周期，減少施工期間工程對(duì)既有交通，沿線(xiàn)居民、行人的影響，同時(shí)改善相關(guān)人員的施工環(huán)境，快速化施工技術(shù)在城市高架項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于25～35 m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，可采用預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)。

對(duì)于跨路口節(jié)點(diǎn)橋梁，主跨跨徑普遍達(dá)60 m及以上，預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足要求。如采用變截面連續(xù)大箱梁，節(jié)段預(yù)制拼裝工藝，施工工序多、拼接難度高、施工周期較長(zhǎng)；而連續(xù)鋼箱梁受力性能好，主體結(jié)構(gòu)均在工廠加工完成，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝工藝成熟，施工速度快，安全環(huán)保，符合快速化施工的要求。因此，在跨路口處，變截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)被廣泛采用。

本文以跨徑組合40 m+60 m+40 m的變截面連續(xù)鋼箱梁為例，研究車(chē)道數(shù)對(duì)箱梁腹板間距及厚度的影響，對(duì)常用底板厚度的受壓區(qū)加勁形式進(jìn)行比選，對(duì)實(shí)腹式橫隔板和桁架式橫隔板進(jìn)行對(duì)比分析，確定腹板、底板受壓區(qū)加勁肋、橫隔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，供類(lèi)似橋型參考[1-2]。

1 腹板的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有工程實(shí)例，目前城市快速路多采用單向兩車(chē)道、雙向四車(chē)道和雙向六車(chē)道，對(duì)應(yīng)的橋?qū)捯来螢?.5,18,25.5 m，扣除兩側(cè)防撞墻外包的0.15 m，鋼箱梁結(jié)構(gòu)寬依次為8.2,17.7,25.2 m。腹板是鋼箱梁的主要構(gòu)件，其間距和厚度直接影響鋼箱梁的力學(xué)性能和整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1.1 腹板間距的確定

對(duì)于橋?qū)捯欢ǖ匿撓淞?，腹板間距過(guò)密，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高；間距過(guò)疏，鋼橋面板橫向剛度弱，變化幅度大，疲勞效應(yīng)明顯，橋面鋪裝易損壞。同時(shí)，為了使鋼橋面板在車(chē)輪荷載作用下變形均勻，腹板位置宜避開(kāi)車(chē)輪作用范圍。城市高架快速路主線(xiàn)車(chē)道寬度有3.75，3.5 m 2種，車(chē)輛輪距1.8 m，車(chē)輪距離車(chē)道邊線(xiàn)不小于0.5 m，3.75 m寬車(chē)道的無(wú)輪區(qū)寬0.85 m，3.5 m寬車(chē)道的無(wú)輪區(qū)寬1.1 m[3-5]。

對(duì)于單向兩車(chē)道鋼箱梁，設(shè)置1個(gè)箱室，2道腹板，橋面布置2個(gè)3.5 m寬車(chē)道，腹板間距宜為2.4～4.6 m；對(duì)于雙向四車(chē)道鋼箱梁，設(shè)置3個(gè)箱室，4道腹板，單向設(shè)置3.5，3.75 m寬車(chē)道各1條，邊箱腹板間距宜為2.65～4.6 m，中箱宜為4.4～6.1 m；對(duì)于雙向六車(chē)道鋼箱梁，設(shè)置5個(gè)箱室，6道腹板，單向設(shè)置1條3.5 m寬車(chē)道和2條3.75 m寬車(chē)道，邊箱腹板間距宜為2.65～4.6 m，次邊箱宜為2.9～4.6 m，中箱宜為4.4～6.1 m，具體布置見(jiàn)圖1。分析腹板間距范圍的交集，發(fā)現(xiàn)4.5 m可同時(shí)滿(mǎn)足上述3種情況。鋼箱梁箱寬4.5 m，每個(gè)車(chē)道下布置1道腹板。8.2，17.7，25.2 m寬鋼箱梁兩側(cè)挑臂長(zhǎng)依次為1.85，2.1，1.35 m。

圖1 1/2腹板布置范圍示意圖(單位：m)

1.2 腹板厚度的確定

在彎矩和剪力作用下，腹板同時(shí)承受彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力，需滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。提高穩(wěn)定性的方法主要有增加腹板厚度和設(shè)置加勁肋，其中設(shè)置加勁肋效果更加顯著，它是減小腹板厚度、減輕自重的有效途徑。而腹板最小厚度由計(jì)算高度和梁上恒、活載效應(yīng)控制。本文以主跨60 m鋼箱梁為基礎(chǔ)，研究不同橋?qū)捪赂拱宓慕?jīng)濟(jì)厚度?？鐝较嗤匿撓淞翰煌瑯?qū)捪赂拱逵?jì)算高度一致，下面著重研究梁上恒、活載效應(yīng)對(duì)腹板厚度的影響。

梁上恒載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)主要由頂、底、腹板承擔(dān)。分析橋?qū)捄透拱鍞?shù)量的關(guān)系，8.2，17.7，25.2 m寬鋼箱梁每道腹板分配的恒載對(duì)應(yīng)的平均橋?qū)捯来螢?.1，4.425，4.2 m，占腹板間距的比依次為91%，98%，93%，差值基本在10%內(nèi)，可認(rèn)為平均承擔(dān)梁上恒載效應(yīng)，且不同橋?qū)挼慕^對(duì)值差別不大。腹板位置與車(chē)道對(duì)應(yīng)，均勻承擔(dān)梁上活載。通過(guò)對(duì)橫向布載車(chē)道數(shù)、布載系數(shù)、腹板數(shù)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)8.2 m寬鋼箱梁每道腹板承受的活載效應(yīng)最大，具體見(jiàn)表1。

表1 腹板活載效應(yīng)分配表

在不考慮橫梁支座布置位置的情況下，可認(rèn)為8.2 m寬鋼箱梁所需腹板厚度為3種橋?qū)捪碌淖畲蟆８鶕?jù)JTG D64-2015 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和《現(xiàn)代鋼橋》，對(duì)于材料為Q345，主跨60 m的連續(xù)鋼箱梁，最大腹板高厚比宜取240，腹板最小厚度13 mm[6]?？紤]到13 mm厚鋼板不常用，工程中可采用14 mm。

對(duì)橋?qū)?.2 m，跨徑組合40 m+60 m+40 m的三跨連續(xù)鋼箱梁橋進(jìn)行有限元分析。箱梁頂、底板厚16 mm，腹板厚14 mm，中墩支點(diǎn)處梁高3.0 m，邊墩支點(diǎn)處梁高1.8 m，頂板平置，底板呈折線(xiàn)變化。荷載包括結(jié)構(gòu)自重，二期恒載、活載、基礎(chǔ)變位及溫度荷載。閉口截面腹板剪應(yīng)力按剪力流理論計(jì)算，疲勞荷載按計(jì)算模型I驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，主梁腹板最大剪應(yīng)力為94 MPa，位于中墩支點(diǎn)處，考慮1.1倍重要性系數(shù)后小于155 MPa，強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求；腹板最大剪應(yīng)力幅為20 MPa，位于伸縮縫處，小于29.6 MPa的允許值，故疲勞滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，14 mm可作為主跨60 m鋼箱梁腹板的經(jīng)濟(jì)厚度。

2 底板的設(shè)計(jì)

2.1 底板受壓區(qū)加勁形式的選擇

底板受壓區(qū)加勁肋包含縱肋和橫肋?？v肋分開(kāi)口截面和閉口截面。開(kāi)口截面縱肋構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于工地連接，常用板肋、L形肋、T形肋、球扁鋼肋；其中板肋的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但厚度大；L形肋、T形肋材料比較經(jīng)濟(jì)，但工廠焊接工程量較大，且工地連接較困難；球扁鋼肋可彌補(bǔ)板肋的不足，減小鋼板的厚度，材料經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用廣泛。閉口截面縱肋抗扭慣性矩較大，常用形式有倒梯形縱肋，工廠加工性能和受力性能較好，工地連接較方便，為工程實(shí)際中采用最多的結(jié)構(gòu)形式[7-8]。本優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)球扁鋼肋和倒梯形縱肋進(jìn)行比選，見(jiàn)圖2。橫肋作為縱肋的局部支撐，采用剛度大、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的T形肋。

圖2 底板縱肋示意圖(單位：mm)

根據(jù)規(guī)范JTG D64-2015 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.6條，受壓底板易采用剛性加勁肋。加勁肋間距過(guò)大時(shí)底板有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，間距過(guò)小時(shí)不便于橫肋的制作和安裝。開(kāi)口截面縱肋的間距宜取300～400 mm，閉口截面縱肋的間距宜取600～850 mm。為了充分發(fā)揮底板的材料性能，尋找一定穩(wěn)定計(jì)算寬度下的最優(yōu)板厚。根據(jù)規(guī)范 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.7條，對(duì)局部穩(wěn)定計(jì)算寬度為300，350，400 mm、14，16，20，22 mm厚的底板進(jìn)行穩(wěn)定折減系數(shù)計(jì)算。結(jié)果顯示，當(dāng)計(jì)算寬度為300 mm時(shí)，底板厚宜取16 mm；當(dāng)寬度為350 mm時(shí)，板厚宜取20 mm；當(dāng)寬度為400 mm時(shí)，板厚宜取22 mm，具體見(jiàn)表2。

表2 底板局部穩(wěn)定折減系數(shù)

鋼箱梁受壓區(qū)底板厚度取值16 mm，采用12×240～12×350的T形橫肋。當(dāng)縱肋采用球扁鋼時(shí)，間距取300 mm；當(dāng)采用倒梯形時(shí)，間距取600 mm。通過(guò)計(jì)算，滿(mǎn)足剛性要求的縱肋最小球扁鋼型號(hào)是180×10；最小倒梯形肋：板厚6 mm、高250 mm，上底寬200 mm、下底寬300 mm；前者鋼材用量是后者的1.088倍，倒梯形肋更經(jīng)濟(jì)，見(jiàn)表3。

表3 底板加勁肋比選表

2.2 底板厚度的確定

跨徑一定的情況下，底板厚度由底板寬度和活載效應(yīng)確定。對(duì)于直腹板鋼箱梁，8.2 m寬橋設(shè)置1個(gè)箱室，底板最大、最小寬度均為4.5 m；17.7 m寬橋設(shè)置3個(gè)箱室，底板最大寬度13.5 m、最小寬度9 m；25.2 m寬橋設(shè)置5個(gè)箱室，底板最大寬度22.5 m、最小寬度13.5 m。如底板沿箱室滿(mǎn)堂設(shè)置，不同橋?qū)捗棵讓挼装宄惺艿幕钶d效應(yīng)相差大，且對(duì)于較寬的橋，過(guò)于浪費(fèi)，易采用最小底寬方案，對(duì)應(yīng)的受壓區(qū)底板厚度最小值依次為22，15，12 mm。15 mm為不常用板厚；12，14 mm所需加勁間距較密，增加焊接工作量、母板的焊接變形量及橫肋的安裝難度，綜合指標(biāo)不經(jīng)濟(jì)。因此，8.2 m寬鋼箱梁受壓區(qū)底板厚度取值22 mm，17.7，25.2 m寬鋼箱梁受壓區(qū)底板厚度取值16 mm，見(jiàn)表4。

表4 受壓區(qū)底板厚度與活載的關(guān)系

8.2 m寬、跨徑組合40 m+60 m+40 m的三跨連續(xù)鋼箱梁橋底板在中支點(diǎn)處局部加厚至22 mm。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，基本組合作用下中支點(diǎn)處底板最大壓應(yīng)力為205 MPa，考慮1.1倍重要性系數(shù)后為225.5 MPa，規(guī)范限制270 MPa。22 mm底板全寬利用，最大應(yīng)力相比規(guī)范限制約有20%富余度，經(jīng)濟(jì)合理。中支點(diǎn)斷面構(gòu)造示意見(jiàn)圖3。

圖3 中支點(diǎn)底板加厚處斷面構(gòu)造示意(單位：m)

3 橫隔板形式比選

鋼箱梁各墩墩頂處橫隔板承受很大的集中力，要求能夠直接傳遞集中荷載，有效控制挖空率，不限制支座位置的設(shè)置。墩頂采用實(shí)腹式橫隔板。

其他位置根據(jù)偏心荷載作用下鋼箱梁的受力特點(diǎn)，為了防止過(guò)大的畸變和面外變形，從剛度出發(fā)研究鋼箱梁橫隔板的合理布置，對(duì)實(shí)腹式橫隔板、X形桁架式橫隔板、V形桁架式橫隔板進(jìn)行對(duì)比分析，各橫隔板斷面構(gòu)造示意見(jiàn)圖4。

圖4 橫隔板斷面構(gòu)造示意圖(單位：m)

箱梁板壁形心圍成高2.984 m、寬4.486 m的矩形，假定橫隔板間距6 m，當(dāng)采用實(shí)腹式橫隔板時(shí)，滿(mǎn)足剛度所需的最小板厚為10.7 mm；當(dāng)采用X形桁架式橫隔板時(shí)，所用T形截面的斜撐根據(jù)面積相等的原則換算成實(shí)腹式橫隔板，等代板厚為6.5 mm；當(dāng)采用V形桁架式橫隔板時(shí)，所用T形截面的斜撐根據(jù)面積相等的原則換算成實(shí)腹式橫隔板，等代板厚為4.8 mm。綜上所述，在滿(mǎn)足剛度、結(jié)構(gòu)安全的前提下，V形桁架式橫隔板最經(jīng)濟(jì)，且截面挖空率最大，更便于施工人員和機(jī)械在箱內(nèi)的通行，3種形式的橫隔板方案比選見(jiàn)表5。

表5 橫隔板比選表

4 結(jié)語(yǔ)

隨著預(yù)制拼裝、快速化施工在全國(guó)范圍內(nèi)推進(jìn)，鋼箱梁被廣泛應(yīng)用。但JTG D64-2015 《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》實(shí)行時(shí)間不長(zhǎng)，不同單位設(shè)計(jì)的鋼箱梁在細(xì)節(jié)上差異較大，鋼箱梁板厚過(guò)大、受壓區(qū)板件加勁未滿(mǎn)足剛性要求、全線(xiàn)使用實(shí)腹式橫隔板、鋪裝使用年限不滿(mǎn)足規(guī)范要求等情況時(shí)有發(fā)生。從結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，研究變截面連續(xù)鋼箱梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的。

本文提出對(duì)于城市高架40 m+60 m+40 m變截面連續(xù)鋼箱梁，腹板間距采用4.5 m、腹板厚度14 mm，底板受壓區(qū)加勁采用倒梯形肋，間距600 mm，支點(diǎn)采用實(shí)腹式橫隔板，其他位置采用V形桁架式橫隔板的通用設(shè)計(jì)理念，可供相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)參考。