大跨度分叉異形連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)分析

周旋

近年來(lái)隨著我國(guó)城市的迅速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度加快，大量的城市高架出現(xiàn)在城市中。這種高架一般以標(biāo)準(zhǔn)化的中小跨徑為主，結(jié)構(gòu)型式以小箱梁、T 梁等為主。在跨越大型交叉口、河道、鐵路等節(jié)點(diǎn)時(shí)，需采用大跨徑橋梁進(jìn)行跨越[1]，其中常用的大跨徑連續(xù)結(jié)構(gòu)有連續(xù)混凝土梁和連續(xù)鋼梁兩種。

本文以紹興市二環(huán)北路智慧快速路為例，介紹了一座大跨度分叉異形連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)輸、安裝方便，可以較好適應(yīng)城市立交橋中的各種異形構(gòu)造，工期短，對(duì)周圍環(huán)境影響小，目前越來(lái)越廣泛地使用在城市高架橋中。

1.工程概況

二環(huán)北路智慧快速路是浙江省紹興市快速路網(wǎng)的重要組成部分，沿線經(jīng)過(guò)中心城區(qū)，穿越眾多交叉口、河道。工程范圍為西起鏡水路，東至越東路，全長(zhǎng)約11.6km，全線采用“高架+地面”的敷設(shè)型式，高架包含主線高架和二環(huán)北路-越東路互通立交一座。

在二環(huán)北路-越東路立交區(qū)域，高架橋主線、匝道上跨杭甬運(yùn)河。杭甬運(yùn)河為規(guī)劃三級(jí)航道，根據(jù)航道部門要求，橋梁主跨跨徑需大于65m。由于立交整體線位限制，在主跨跨越杭甬運(yùn)河之后，南側(cè)WN 匝道分為WN、WS 兩叉，北側(cè)SW 匝道分為SW、NW 兩叉，分叉點(diǎn)距離航道邊線約20m。

由于航道需一跨跨越，中跨跨徑需要達(dá)到70m 以上，鋼梁邊中跨比在0.6～0.7 左右為宜，邊跨跨徑需達(dá)到40m以上。根據(jù)這些限制條件，高架橋的跨徑布置確定為主線跨徑45m+73m+43m，南側(cè)WN 匝道跨徑43m+73m+45m，北側(cè)SW 匝道跨徑45m+75m+41m。橋梁布置見圖1。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WN 匝道和SW 匝道跨徑、外形較接近，本節(jié)以WN 匝道為例介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算內(nèi)容。WNK2、WNK3 兩孔為整體式斷面，結(jié)構(gòu)在WNK4孔內(nèi)進(jìn)行分叉，靠近中支點(diǎn)15m 范圍內(nèi)為整體式斷面，后續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分叉。

2.1 主梁設(shè)計(jì)

主梁采用43m+73m+45m 變高鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，左邊跨以及右邊跨分叉后采用單箱單室，其余位置采用單箱多室。中支點(diǎn)梁高3.6m，中跨跨中梁高2.2m，邊支點(diǎn)梁高1.6m，梁高按照二次拋物線變化。橋面板為正交異性橋面板，頂板厚16mm～30mm，底板厚16～30m，腹板厚14mm～20mm。頂板、底板和腹板均設(shè)置縱向加勁肋。鋼結(jié)構(gòu)為全焊接結(jié)構(gòu)，頂板U 肋連接采用螺栓連接，避免頂板疲勞荷載帶來(lái)的焊接裂縫。頂?shù)装逶O(shè)置2%橫坡。典型斷面詳見圖2。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.2.1 計(jì)算荷載

（1） 一期恒載：鋼材容重=78.5kN/m3，計(jì)入自重系數(shù)1.73 考慮隔板、縱向加勁肋等構(gòu)件的重量。

圖1 杭甬運(yùn)河橋梁平面布置圖

圖2 典型斷面構(gòu)造圖（單位：mm）

（2）二期荷載：鋪裝：鋼筋混凝土8cm，γ=26kN/m3；瀝青混凝土10cm，γ=24kN/m3。防撞護(hù)欄：12kN/m 每側(cè)。壓重混凝土：γ=25kN/m3。

（3）汽車荷載：城-A 級(jí)；沖擊系數(shù)：按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.2 計(jì)算取值。

（4）基礎(chǔ)變位：中支座沉降2cm，邊支座沉降1cm。

（5）溫度荷載：均勻溫度：整體升降溫30℃。梯度溫度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.12 取值。

（6）風(fēng)荷載：重現(xiàn)期10 年的設(shè)計(jì)風(fēng)速W1 為25m/s，重現(xiàn)期100 年的設(shè)計(jì)風(fēng)速W2 為32.5m/s。

2.2.2 截面有效寬度計(jì)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）的要求，需要考慮局部穩(wěn)定影響對(duì)受壓構(gòu)件截面面積進(jìn)行折減，同時(shí)也需要考慮剪力滯效應(yīng)造成的頂?shù)装鍖?shí)際應(yīng)力分布不均勻，對(duì)頂?shù)酌娼孛婷娣e進(jìn)行折減。同時(shí)考慮剪力滯和局部穩(wěn)定影響的受壓翼緣有效寬度計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

從以上計(jì)算結(jié)果中可以看出，由于加勁肋間距較密，不同頂?shù)装搴穸认戮植糠€(wěn)定折減系數(shù)都是1，所以不需要考慮局部穩(wěn)定因素帶來(lái)的折減。但剪力滯效應(yīng)帶來(lái)的折減較大，特別是支點(diǎn)位置，折減系數(shù)為0.8，在跨中位置折減較少，在中跨跨中甚至不需要折減。

2.2.3 截面強(qiáng)度驗(yàn)算

2.2.3.1 正應(yīng)力驗(yàn)算

基本組合下，不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，主梁頂板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中支點(diǎn)位置，為131MPa；主梁底板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中跨跨中，為168MPa。

以上結(jié)果為第一體系下的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)資料，鋼箱梁的第二體系應(yīng)力可按照40Mpa 進(jìn)行考慮。則頂板應(yīng)力為206Mpa＜270Mpa；底板應(yīng)力為246Mpa＜270Mpa。

基本組合下，主梁底板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在分叉邊跨跨中位置，為226MPa；主梁底板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中支點(diǎn)，為181MPa。底板只需要考慮第一體系應(yīng)力即可，在乘以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)之后，頂板應(yīng)力=249Mpa＜270Mpa；底板應(yīng)力=199Mpa＜270Mpa。

2.2.3.2 剪應(yīng)力驗(yàn)算

主梁腹板由剪力引起的最大剪應(yīng)力為111MPa，主梁最大扭矩為663KN.m，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為3MPa。腹板上的最大剪應(yīng)力為114MPa，滿足規(guī)范要求。

2.2.3.3 疲勞驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范要求采用疲勞荷載計(jì)算模型I 計(jì)算疲勞荷載。根據(jù)疲勞細(xì)節(jié)，正應(yīng)力常幅疲勞極限為80MPa，剪應(yīng)力幅疲勞截止限位40MPa。

表1 考慮局部穩(wěn)定影響的截面面積折減計(jì)算

上翼緣正應(yīng)力幅=37.7MPa＜80/1.35=59.3MPa；腹板伸縮縫端剪應(yīng)力幅=18.46 ＜40/1.35=29.6MPa；腹板中支點(diǎn)處剪應(yīng)力幅=13MPa＜40/1.35=29.6MPa。

2.2.4 主梁預(yù)拱度計(jì)算

汽車活載會(huì)引起結(jié)構(gòu)撓度，其不計(jì)沖擊力的正負(fù)撓度絕對(duì)值之和為107mm，小于1/500L=142mm，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范要求，鋼橋應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，以保證橋梁建成后行車平順，線形美觀。預(yù)拱度需考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載及1/2活載共同引起的撓度。分叉的邊跨預(yù)拱度（71mm）比整幅的邊跨預(yù)拱度（61mm）大，除了分叉的邊跨跨徑略大之外，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分叉造成的整體剛度較小也會(huì)造成豎向撓度增加。

3.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹一座大跨度連續(xù)分叉鋼箱梁的設(shè)計(jì)方案和計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)類型的可行性，為同類型橋梁提供借鑒。分叉端的各項(xiàng)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，分叉端的正應(yīng)力、撓度等都比非分叉端大，證明了分離式的結(jié)構(gòu)對(duì)于受力仍存在一定影響，可以通過(guò)增加頂?shù)装搴穸鹊确绞皆黾臃植娑私Y(jié)構(gòu)剛度，改善其受力和變形效果。