武漢市沙湖大道大挑臂鋼箱梁受力分析

衛(wèi) 超，郭俊峰，萬 送

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

0 引 言

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對生活的舒適性、交通的便捷性要求越來越高。作為市政工程建設(shè)設(shè)計領(lǐng)域的從業(yè)者，我們深感責(zé)任重大。近年，國內(nèi)的眾多造型新穎、功能豐富的橋梁，如雨后春筍般呈現(xiàn)出來，為豐富城市界面、提升城市形象提供了多元化元素，也極大的方便了市民的生活。武漢市沙湖大道跨徐東大街工程就是這類工程的一個較為突出的例子。

沙湖大道跨徐東大街主橋采用67 m+96 m+67 m=230 m 連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)。其中67 m 邊跨橋?qū)?6.5 m，挑臂3.4 m；96 m 主跨橋需要和慢行橋合建，橋梁寬度20.5 m，挑臂7.5 m，屬于特大挑臂結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)采用如此大挑臂結(jié)構(gòu)十分少見，結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理和結(jié)構(gòu)安全控制經(jīng)驗較少，本工程可以為類似慢行橋和車行橋合建型的市政橋梁提供設(shè)計及安全控制上的借鑒意義。

1 工程概況

徐東大街和沙湖大道均為武漢市武昌區(qū)的重要道路，主干路標(biāo)準(zhǔn)，兩條主干路為平交路口，目前已經(jīng)不能滿足交通的通行需求，亟需對平面交叉口進(jìn)行升級改造。根據(jù)規(guī)劃，沙湖大道跨徐東大街以“主線跨線橋（單側(cè)幫寬慢行橋）+ 地面輔道”的方式建設(shè)，工程全長約1.13 km。橋梁建設(shè)需要考慮地下市政管線，盡量減少對現(xiàn)有管線的遷改。同時，沿徐東大道地面道路下布置有武漢市軌道交通8 號線，已經(jīng)通車運(yùn)營。橋梁設(shè)計和施工均需考慮盡量減少對軌道交通的影響。為保證徐東大街兩岸的行人過街，在沙湖大道和徐東大街交匯處，布置慢行橋，供行人和非機(jī)動車通行。橋梁夜景效果如圖1。

圖1 沙湖大道橋梁夜景

2 橋梁結(jié)構(gòu)簡述

根據(jù)上述制約因素，跨越徐東大街處采用大跨變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)。為便于設(shè)置慢行交通，避免重復(fù)建設(shè)基礎(chǔ)，優(yōu)化城市界面，慢行橋采用和主橋局部合建、兩側(cè)分離建設(shè)的方式實(shí)施。上跨徐東大街的橋梁采用67 m+96 m+67 m=230 m 跨徑的變截面連續(xù)鋼箱梁，其中兩側(cè)67 m 邊跨為單體車行橋，96 m 主跨采用人行橋與車行橋合建。

連續(xù)鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室箱形截面，中支點(diǎn)處梁高4.5 m，邊支點(diǎn)處梁高2.3 m，梁底線形按圓曲線變化。邊跨橋面寬度為16.3 m，中跨橋面寬度為20.4 m（其中人行道寬度4 m），為保持主橋主受力體系的明確，保證腹板構(gòu)造連續(xù)，橋面寬度變化通過箱梁挑臂加寬實(shí)現(xiàn)。主跨挑臂7.5 m。

鋼箱梁構(gòu)造尺寸主要由結(jié)構(gòu)受力確定，邊跨尺寸的確定受主跨尺寸影響，為保持整體外觀的一致性和美觀，鋼箱梁局部構(gòu)造尺寸，特別是挑臂端部的構(gòu)造，邊跨和主跨保持一致。鋼箱梁主要構(gòu)造尺寸為：鋼箱梁頂板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；底板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；兩邊跨腹板及96 m 主跨的右側(cè)邊腹板和中腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度16 mm，局部加厚至30 mm；96 m 主跨左側(cè)邊腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至32 mm。常規(guī)3.4 m 挑臂端部高度300 mm（和主跨保持一致），挑臂根部高度750 mm。主跨7.5 m 挑臂端部尺寸300 mm，挑臂根部高度1 500 mm。

邊跨橋梁典型橫斷面如下圖2，中跨橋梁典型橫斷面如下圖3（圖中尺寸橋?qū)捨窗?0 cm 外包護(hù)欄寬度）。

圖2 邊跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

圖3 中跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

3 鋼箱梁結(jié)構(gòu)計算

3.1 鋼箱梁計算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)空間計算程序Midas civil2019 計算，根據(jù)實(shí)際施工步驟確定計算工況。其中中跨4 m人行道加寬范圍，計算偏安全考慮，按照偏心荷載施加于主梁上后，分別按照考慮其截面范圍的縱向剛度貢獻(xiàn)和不考慮其剛度貢獻(xiàn)兩種計算模型進(jìn)行分析，綜合取最不利包絡(luò)結(jié)果。

鋼箱梁的截面有效分布寬度根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015） 中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算。結(jié)構(gòu)離散示意圖如下圖4 所示。

圖4 整體有限元模型結(jié)構(gòu)離散圖

3.2 鋼箱梁施工階段計算

本橋梁設(shè)計采用轉(zhuǎn)體施工方案，轉(zhuǎn)體最大懸臂為71.5+64 m，兩側(cè)通過配重進(jìn)行施工階段的整體平衡。考慮最不利情況，施工階段僅計算最大懸臂狀態(tài)，結(jié)果如下：

（1）施工階段最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁最大拉應(yīng)力為134 MPa，最大壓應(yīng)力為195 MPa，均小于270 MPa，滿足規(guī)范安全要求。

（2）最大懸臂狀態(tài)，主梁在恒載作用下邊跨端點(diǎn)最大位移795 mm，中跨端點(diǎn)最大位移737 mm。轉(zhuǎn)體完成后，需采取頂升措施，將懸臂梁端頂升至設(shè)計位置后再進(jìn)行梁段合攏。

（3）最大懸臂狀態(tài)下主梁穩(wěn)定性

考慮轉(zhuǎn)體施工過程中，臨時T 構(gòu)的兩側(cè)懸臂荷載的不平衡可能會引起臨時固結(jié)系統(tǒng)的受力不均勻，按照實(shí)際配重為設(shè)計配重的85%估算考慮。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時錨固最大拉力為1 971 kN；本項目采用PSB1080Φ50 mm精軋螺紋鋼臨時墩梁固結(jié)，考慮3 倍的安全系數(shù)，精軋螺紋鋼最大抗拉強(qiáng)度為4×588=2 352 kN＞1 971 kN，滿足要求。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時錨固支座最大壓力為9 348 kN；本項目采用兩對800×800 mm 臨時支座系統(tǒng)，混凝土最大壓應(yīng)力為7.3 MPa，滿足要求。

3.3 鋼箱梁運(yùn)營階段計算

本橋鋼箱梁頂板及底板主梁的彎曲應(yīng)力極值為：頂板最大拉應(yīng)力為194.4 MPa，最大壓應(yīng)力為-158.9 Pa，底板最大拉應(yīng)力為254.1 MPa，最大壓應(yīng)力為-196 Pa；均滿足相應(yīng)材質(zhì)的強(qiáng)度設(shè)計要求。具體計算結(jié)果如表1。

表1 計算應(yīng)力計算結(jié)果表

3.4 鋼橋面板局部受力分析

鋼橋面板局部受力，主要計算第二體系應(yīng)力，及鋼箱梁懸臂應(yīng)力計算。

（1）有限元模型

使用有限元軟件建模分析，橫隔板及U 形加勁肋采用板殼單元模擬，為了避免邊界條件對局部分析的影響，縱橋向取三跨9 m 進(jìn)行計算，本模型計算參數(shù)均取自該鋼箱梁橋設(shè)計圖標(biāo)準(zhǔn)梁段。

（2）計算假設(shè)及作用荷載

計算時假設(shè)鋼板和鋪裝層完全連續(xù)，鋪裝材料為線彈性材料，且計鋪裝、護(hù)欄聲屏障等結(jié)構(gòu)自重的影響。模型的約束條件如下：端部橫隔板及底板完全約束。根據(jù)規(guī)范，車輪與鋪裝接觸面積為600 mm（橫橋向）×200 mm（順橋向），同時考慮170 mm 鋪裝層的對輪載擴(kuò)散作用，擴(kuò)散角度按照45°考慮，車輛的后軸重140 kN，如此作用在鋼橋面板上的壓力為0.216 MPa，乘以沖擊系數(shù)1.3，得到作用在鋪裝層上的壓力為0.285 MPa。幾何模型見圖5，有限元模型見圖6。

圖5 幾何模型

圖6 有限元模型

（3）橋面板局部計算結(jié)果

計算考慮車輪實(shí)際加載情況，計算多種工況，U肋和挑臂最不利計算，如圖7～圖10 所示。

圖7 頂板順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖8 頂板橫橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖9 U 形加勁肋順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖10 橫梁挑臂板等效應(yīng)力云圖（單位：MP a）

由局部分析模型計算結(jié)果可知：

a. 頂板順橋向最大壓應(yīng)力-33.3 MPa，最大拉應(yīng)力35.7 MPa；橫橋向最大壓應(yīng)力-39.8 MPa，最大拉應(yīng)力59.7 MPa；最大等效應(yīng)力為52.5 MPa。

b. U 形加勁肋順橋向最大壓應(yīng)力-28.4 MPa，最大拉應(yīng)力32.4 MPa；最大等效應(yīng)力為51.6 MPa。

c. 橫梁懸臂根部下緣板最大橫橋向應(yīng)力-82.9MPa。

d. 活載下挑臂邊緣最大豎向撓度為4.9 mm＜7 500/300=25 mm，滿足要求。

3.5 結(jié)論

（1）經(jīng)計算分析可知，該橋在施工階段受力及穩(wěn)定性均滿足要求。

（2）鋼箱梁彎曲應(yīng)力：綜合該鋼箱梁橋第一體系（整體計算）和第二體系（局部計算）結(jié)果：頂板最大拉應(yīng)力為194.4+35.7=230.1 MPa，最大壓應(yīng)力為158.9+33.3=192.2 Pa；底板最大拉應(yīng)力為254.1 MPa，最大壓應(yīng)力為-196 Pa；均滿足相應(yīng)材質(zhì)的設(shè)計強(qiáng)度要求。（Q345qD 鋼材設(shè)計強(qiáng)度270 MPa,Q420qD 鋼材設(shè)計強(qiáng)度320 MPa）[1]。

（3）鋼箱梁橫橋向局部分析結(jié)果：橫梁懸臂根部下緣最大應(yīng)力82.9 MPa＜270 MPa,挑臂邊緣最大撓度4.9 mm＜25 mm，應(yīng)力及剛度均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

通過計算，大懸臂鋼箱梁結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。目前沙湖大道跨徐東大街橋梁工程正如火如荼的進(jìn)行中，橋梁將于2021 年底建成通車。城市高架橋中，人行天橋和城市橋梁合建將會越來越多，此橋梁的建設(shè)經(jīng)驗，將為類似橋梁建設(shè)提供借鑒。