鋼箱梁橋中關(guān)于大跨隱形鋼蓋梁的設(shè)計(jì)與研究

康福隆

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，道路卻日漸擁堵，特別是很多平面交叉路口往往出現(xiàn)極為擁堵的情況，因此，越來越多的跨線橋需要建設(shè)實(shí)施。但往往受投資總額、建設(shè)規(guī)模等條件的限制，很多跨線橋既需要較強(qiáng)的跨越能力，但又沒辦法將豎曲線拉到很高以滿足橋下凈空需求，特別是需要設(shè)置蓋梁的跨線橋，主梁加蓋梁的復(fù)合高度，往往使跨線橋更難滿足凈空的需求，這時(shí)一種具有創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，即將蓋梁隱藏在主梁結(jié)構(gòu)中，成為隱形蓋梁，這樣大大壓縮了結(jié)構(gòu)高度，可以為跨線橋提供更多的橋下空間，同時(shí)可以使橋梁盡早落地，以減小橋梁規(guī)模，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2 工程概況

以廣東某地具體實(shí)際工程為例，該工程為1 300 m 長(zhǎng)鋼箱梁橋，其中一聯(lián)主橋采用42 m+52 m+42 m 三跨連續(xù)鋼箱梁，主橋與橋下繁忙的快速干道斜交，快速干道中間無中央綠化帶，主橋無法在橋下干道范圍內(nèi)立墩，只能采用蓋梁，橫向跨域快速干道之后在干道寬度范圍外設(shè)置橋墩，具體布置如圖1所示。

圖1 橋梁平面布置圖（單位：cm）

3 主梁鋼箱梁和隱形鋼蓋梁的初步構(gòu)造擬定

本項(xiàng)目道路設(shè)計(jì)寬度為9 m，在沒有條件支架現(xiàn)澆的條件下，只能采用快速架設(shè)的預(yù)制梁或這鋼梁，但由于其道路設(shè)計(jì)平曲線半徑較小，且需要跨越的道路寬度大于50 m，常規(guī)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁較難滿足，因此，宜采用鋼梁。根據(jù)當(dāng)前工程界主流鋼梁應(yīng)用情況，綜合考慮施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，宜采用鋼箱梁。根據(jù)箱梁的標(biāo)準(zhǔn)定義：橫斷面呈1 個(gè)或幾個(gè)封閉箱形的梁橋簡(jiǎn)稱為箱形梁橋[1]，結(jié)合主梁計(jì)算，擬定主梁采用單箱雙室直腹板鋼箱梁，梁高2.3 m，寬9 m，懸臂2 m，箱寬5 m，頂板厚20 mm，底板厚16 mm，腹板厚16 mm，上緣縱向加勁肋采用U 肋，U 肋間距取600 mm，高度取280 mm，上開口寬300 mm，厚度采用8 mm；下緣縱向加勁肋采用板肋，板肋高150 mm，厚14 mm，其尺寸構(gòu)造滿足規(guī)范要求。

隱形鋼蓋梁采用鋼橫梁的形式，高度方向與主梁重合，且在下部高出主梁30 cm，隱蓋梁寬3 m，高2.6 m，采用單向雙室設(shè)計(jì)，頂板厚32 mm，底板厚28 mm，腹板厚25 mm，頂、底縱向加勁肋均采用T 肋，肋高350 mm，如圖2 所示。

圖2 隱形鋼蓋梁橫斷面圖（單位：cm）

4 隱形鋼蓋梁的受力計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)理論，墩臺(tái)蓋梁與柱宜按剛架計(jì)算，蓋梁的計(jì)算跨徑宜取支承中心的距離[2]，以此推算出隱形鋼蓋梁跨徑達(dá)到26 m，屬于大跨隱形鋼蓋梁，且與主梁斜交，受力極其復(fù)雜，隱形鋼蓋梁的計(jì)算對(duì)精細(xì)化要求極高，采用最新的橋梁博士V4.3.0 進(jìn)行有限元建模計(jì)算，通過主梁計(jì)算模型的內(nèi)力提取，加載到隱形鋼蓋梁模型。隱形鋼蓋梁有限元模型的建立主要注意以下幾點(diǎn)：

1）主梁的內(nèi)力需要按照剛度分配之后加載到隱形鋼橫梁的3 道腹板上，且需要準(zhǔn)確定位內(nèi)力在隱形鋼橫梁上的分布范圍，主梁的內(nèi)力應(yīng)該提取恒載作用下的支撐反力，而不是考慮了活荷載的組合反力，加載到鋼橫梁的方式采用橫向加載的方式；

2）承受汽車荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接，應(yīng)按疲勞細(xì)節(jié)類別進(jìn)行疲勞驗(yàn)算[3]。隱形鋼蓋梁與縱向主梁斜交，疲勞計(jì)算尤為重要，在隱形鋼蓋梁疲勞模型的加載中，應(yīng)該采用主梁縱向疲勞計(jì)算產(chǎn)生的單車道支撐反力，而不是主梁車道加載產(chǎn)生的單車道支撐反力。經(jīng)過計(jì)算得到的正應(yīng)力疲勞應(yīng)力幅控制在38.21 MPa 以內(nèi)，剪應(yīng)力疲勞應(yīng)力幅控制在27.08 MPa 以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，疲勞驗(yàn)算見表1。

表1 疲勞驗(yàn)算表

3）由于隱形鋼蓋梁的計(jì)算跨徑達(dá)到了26 m，同時(shí)，該隱形蓋梁恰好位于主跨中墩位置，反力達(dá)到了8 100 kN（810 t），此情況下的構(gòu)件應(yīng)力控制應(yīng)以頂板壓應(yīng)力作為控制因素，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可以得到，頂板壓應(yīng)力達(dá)到了183.47 MPa，雖然滿足規(guī)范要求，但相對(duì)常規(guī)跨徑的鋼箱梁，此壓應(yīng)力值偏大，如圖3 所示。

圖3 隱形鋼蓋梁上緣正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

5 隱形鋼蓋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)部研究與思考

隱形蓋梁與常規(guī)蓋梁不同，常規(guī)蓋梁受力明晰，可以根據(jù)規(guī)范按照梁結(jié)構(gòu)計(jì)算處理，但隱形蓋梁由于隱藏在梁體內(nèi)部，參與了主梁內(nèi)力的傳遞，而鋼結(jié)構(gòu)隱形蓋梁受力就更為復(fù)雜，很多在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上還應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理優(yōu)化構(gòu)造細(xì)節(jié)，才能使主梁至蓋梁的傳力在可控范圍內(nèi)。在隱形鋼蓋梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)中主要注意以下幾點(diǎn)：

1）主梁頂板、底板、腹板與隱形鋼蓋梁的頂板、底板、腹板空間主次關(guān)系應(yīng)如何設(shè)計(jì)，這是很多鋼結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)交叉問題普遍存在的現(xiàn)象，但對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁里出現(xiàn)大跨斜交的情況并不多見。根據(jù)受力分析以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本工程應(yīng)該以隱形鋼蓋梁的頂板、底板、腹板不間斷的連接貫通為主，主梁的頂板、底板、腹板在隱形鋼蓋梁的腹板處斷開，但在隱形鋼蓋梁的腹板之間的箱室內(nèi)，應(yīng)采用與主梁腹板斷口相對(duì)應(yīng)的斜交橫隔板補(bǔ)填，否則主梁腹板的縱向內(nèi)力將沒辦法連續(xù)傳遞。

2）由于主梁3 道腹板與隱形鋼蓋梁的3 道腹板是斜交連接，縱向傳力無法做到垂直傳遞，在動(dòng)載作用下，存在一定的扭矩，容易在主梁腹板與隱形蓋梁腹板之間形成較大的疲勞破壞，故如何處理好2 個(gè)體系之間的腹板連接尤為關(guān)鍵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此處連接設(shè)計(jì)考慮采用主梁腹板與隱形鋼蓋梁腹板之間設(shè)置夾角加勁肋版的加強(qiáng)方式，在主梁高度方向上每隔30 cm 設(shè)置1 道，此角腋加緊肋板采用板厚為20 mm 的特種鋼材，切角采用磨砂焊，以確保2 個(gè)體系的腹板之間不會(huì)因?yàn)榕ぞ剡^大而失穩(wěn)及疲勞破壞。

3）隱形鋼蓋梁腹板縱向加勁肋的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮主梁懸臂板及底腹板的影響。如圖2 所示，每個(gè)腹板縱向加勁肋自上而下共設(shè)置3 道，最上邊一道的2 個(gè)邊腹板采用剛度較大的T 肋，其位置位于主梁懸臂根部同一高度，這樣可以很好地抵抗主梁懸臂根部導(dǎo)致的隱形鋼蓋梁邊腹板的變形，可以把主梁懸臂根部傳遞來的壓應(yīng)力均勻傳遞給其周邊腹板。最下邊采用1 道腹板縱向加勁肋采用常規(guī)板肋，肋板高120 mm，板厚16 mm，但其在隱形鋼蓋梁的高度方向上的設(shè)置位置尤為關(guān)鍵，此腹板縱向加勁肋的設(shè)置目的是吸收由主梁底板傳遞來的應(yīng)力，故本道隱形鋼蓋梁腹板縱向加勁肋設(shè)置在與主梁底板相同的高度上，尺寸做到與其對(duì)應(yīng)，因縱坡的影響，導(dǎo)致主梁底板在隱形鋼蓋梁范圍內(nèi)高度不一致，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)橫坡精準(zhǔn)計(jì)算出鋼蓋梁最外側(cè)腹板位置處主梁底板的投影高差，以便將鋼蓋梁最下邊一道腹板縱向加緊板肋準(zhǔn)確定位。

4）隱形鋼蓋梁內(nèi)是否需要設(shè)置一部分的混凝土填充？若設(shè)置，目的是什么？該如何設(shè)置？就本項(xiàng)目而言，答案是肯定的。根據(jù)計(jì)算，本項(xiàng)目主跨鋼箱梁跨徑較大，達(dá)到了52 m，中墩支反力較大，而恰恰隱形鋼蓋梁的跨徑也達(dá)到了26 m，且主梁鋼箱梁與隱形鋼蓋梁的斜交角達(dá)到了69.5°，這些對(duì)結(jié)構(gòu)不利因素的工況組合，使隱形鋼蓋梁的撓度變形控制、截面剛度控制、頂?shù)装鍛?yīng)力控制都難度較大，因此，在隱形鋼蓋梁與主梁相交部分的底板30 cm 高度方向上以及隱形鋼蓋梁的端部全截面高度上都填充C40 微膨混凝土，其目的是提高主梁底板縱向傳力，還可以吸收一部分的壓應(yīng)力，在端部的混凝土可以有效配重，使隱形鋼蓋梁不會(huì)因?yàn)榭缰杏芍髁簜鱽淼妮^大壓力而兩端翹起，并且還能提高隱形鋼蓋梁端部支承中線位置處的豎向抗壓承載力，不至于導(dǎo)致支承橫隔板的失穩(wěn)，具體的整體構(gòu)造及混凝土填充情況如圖4 所示。

圖4 隱形鋼蓋梁構(gòu)造圖（單位：mm）

6 結(jié)語

隨著未來我國城市化進(jìn)程的強(qiáng)力推進(jìn)，城市快速立交橋?qū)⒂瓉硎窡o前例的發(fā)展期，而作為能大量節(jié)省橋下空間、減小橋梁相對(duì)規(guī)模而帶來較大經(jīng)濟(jì)效益的隱形蓋梁，將在未來城市道路交通治堵中發(fā)揮越來越多的作用。與鋼筋混凝土隱形蓋梁相比，鋼結(jié)構(gòu)隱蓋梁施工更快捷，對(duì)橋下現(xiàn)狀道路交通的影響相對(duì)較小。同時(shí)，鋼蓋梁的結(jié)構(gòu)高度也相對(duì)混凝土梁較矮，更適合采用大跨徑橫跨高規(guī)格的現(xiàn)狀道路。因此，隱形鋼蓋梁未來的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣。本文通過工程實(shí)例，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，為鋼箱梁橋中存在的大跨鋼結(jié)構(gòu)隱形鋼蓋梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了必要的參考，特別是在主橋鋼箱梁與隱形鋼蓋梁連接的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)上，在尊崇結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)約原則的同時(shí)，盡可能做到科學(xué)、合理，可為以后的同類工程提供借鑒。