大跨度變截面鋼箱梁托管橋在新疆某引水工程中的應(yīng)用

郝永志

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

[關(guān)鍵字] 變截面鋼箱梁；托管橋；長(zhǎng)距離輸水工程

1 工程概況

某引水工程是為經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)提供生產(chǎn)、生活用水的一項(xiàng)長(zhǎng)距離調(diào)水工程，輸水主管管徑為1.8 m，項(xiàng)目位于新疆昌吉州阜康市境內(nèi)。管線(xiàn)在樁號(hào)71+420處穿越一條沙漠明渠高填方渠道，為保證渠道正常輸水，輸水管道跨該渠道采用托管橋穿越形式。托管橋單跨最大跨徑150 m，總跨徑312 m。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）劃分，工程區(qū)范圍內(nèi)區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。工程區(qū)40 m深度范圍內(nèi)出露的地層主要為粉土質(zhì)砂和低液限黏土，局部夾含細(xì)粒土砂或高液限黏土層。地基土為不液化土。地基承載力fa0建議值為80～370 kPa，地基承載力較低。

工程區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬暖溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。平原區(qū)年平均降雨量160～230 mm，多年平均蒸發(fā)量1500～2300 mm，年平均氣溫5.5～7℃，極端最高氣溫38.3℃，極端最低氣溫-5.9℃。

2 橋梁總體設(shè)計(jì)

托管橋結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，主體結(jié)構(gòu)使用年限100 a，欄桿、支座等附屬結(jié)構(gòu)15 a，鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝年限15 a?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別為C 類(lèi)，抗震措施等級(jí)為二級(jí)。

托管橋以輸水功能為主，橋面較窄，從節(jié)省投資角度出發(fā)，采用變截面連續(xù)鋼箱梁，其工程量減少較多，經(jīng)濟(jì)性較好?？鐝讲贾脼?1+150+81 m，橋梁總長(zhǎng)312 m（見(jiàn)圖1），其功能是承載一根內(nèi)徑為1.8 m 的輸水鋼管安全跨越輸水干渠。橋面寬度6.0 m（見(jiàn)圖2），梁底寬3.5 m，兩側(cè)懸臂翼緣板寬1.25 m，整幅修建。橫斷面布置為0.25 m（欄桿）+1.25 m（檢修通道）+3.0 m（供水管區(qū)）+1.25 m（檢修通道）+0.25 m（欄桿），橋面不設(shè)橫坡。

圖1 312 m托管橋縱斷面圖

圖2 托管橋橫斷面圖

3 荷載取值及計(jì)算模型

3.1 計(jì)算荷載

結(jié)構(gòu)分析按空間梁?jiǎn)卧M，欄桿、管道等結(jié)構(gòu)均不考慮參與受力，僅作為外荷載考慮。除結(jié)構(gòu)自重由程序內(nèi)部自動(dòng)考慮外，其他結(jié)構(gòu)恒載見(jiàn)表1。

表1 其他結(jié)構(gòu)恒載荷載取值

3.2 計(jì)算模型

采用Midas Civil 軟件建模進(jìn)行計(jì)算分析，采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬。鋼箱梁模型及邊界條件見(jiàn)圖3。

圖3 鋼箱梁模型及邊界條件圖

4 鋼構(gòu)件強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算

4.1 主梁強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2019對(duì)主梁按受彎構(gòu)件進(jìn)行基本組合下強(qiáng)度驗(yàn)算，受拉翼緣采用考慮剪力滯影響后有效截面，受壓翼緣采用同時(shí)考慮剪力滯和局部溫度影響后有效截面。

實(shí)腹式拉彎、壓彎構(gòu)件強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足下式規(guī)定：

其中

式中：Nd為軸心力設(shè)計(jì)值；My、Mz分別為繞y軸和z軸的彎矩設(shè)計(jì)值；Aeff為有效截面面積，其中，受拉翼緣僅考慮剪力滯影響，受壓翼緣同時(shí)考慮剪力滯和均布穩(wěn)定影響；Wy,eff、Wz,eff分別為有效截面相對(duì)于y軸和z軸的截面模量，其中受拉翼緣僅考慮剪力滯影響，受壓翼緣同時(shí)考慮剪力滯和局部穩(wěn)定影響；ey、ez分別為軸力對(duì)y軸和z軸的偏心距。

強(qiáng)度驗(yàn)算截面包括一般位置和支點(diǎn)位置兩種，其中一般位置處，梁頂板、底板、腹板厚度分別為16、18、14 mm；支點(diǎn)位置選取中墩支撐處截面，其頂板、底板、腹板厚度分別為16、25、18 mm。構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表

通過(guò)計(jì)算可知，基本組合下主梁強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.2 主梁抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2019）對(duì)主梁按受彎構(gòu)件進(jìn)行基本組合下抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，主梁剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 主梁剪應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖4 可知，基本組合下主梁剪應(yīng)力最大值為36.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)值），位于跨中截面與中墩截面1/2部位。結(jié)果安全系數(shù)取1.1，則剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.1×36.8=40.5 MPa，小于剪應(yīng)力容許值[τ]=150 MPa，因此主梁抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.3 主梁撓度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2019）的規(guī)定，鋼橋應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，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(chē)道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度值，頻遇值系數(shù)為1.0，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 自重加1/2車(chē)道荷載產(chǎn)生的撓度

由圖5可知，主梁在自重加1/2車(chē)道荷載作用下產(chǎn)生的撓度為510 mm，因此鋼橋宜設(shè)置510 mm 的預(yù)拱度。

4.4 結(jié)構(gòu)自振特性驗(yàn)算

橋跨結(jié)構(gòu)模型采用空間靜力分析模型，采用多重Ritz向量法實(shí)施特征值求解。自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6和表3。

圖6 自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果圖

表3 成橋狀態(tài)動(dòng)力特征值

邊跨豎向彎曲反對(duì)稱(chēng)豎向彎曲0#墩順橋向彎曲1.156 858 1.195 611 1.1 452 897 0.864 410 0.836 392 0.688 280

通過(guò)計(jì)算可知，各跨段自振頻率和自振周期滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文以新疆某長(zhǎng)距離調(diào)水工程跨徑312 m托管橋?yàn)槔?，介紹了大跨度變截面鋼箱梁橋梁的總體設(shè)計(jì)思想。通過(guò)有限元計(jì)算，驗(yàn)算了托管橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（1）基本荷載組合下，主梁強(qiáng)度最大值為243 MPa，小于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度容許值270 MPa。

（2）剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值為40.5 MPa，小于剪應(yīng)力容許值150 MPa，主梁抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（3）主梁在自重和1/2 車(chē)道荷載作用下產(chǎn)生的撓度為510 mm，因此鋼橋宜設(shè)置510 mm的預(yù)拱度。

（4）各跨段自振頻率和自振周期滿(mǎn)足規(guī)范要求。