大跨徑連續(xù)鋼箱梁關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)影響研究

劉 琴

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510507)

大跨度連續(xù)鋼箱梁主梁具有自重輕、材料強(qiáng)度利用率高、結(jié)構(gòu)跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，可減少下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，適用于各種橋位地質(zhì)條件。鋼箱梁工廠制作與現(xiàn)場(chǎng)施工可同步進(jìn)行，簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)、精度高、速度快，工程質(zhì)量易于保證。目前，大跨度連續(xù)鋼箱梁橋已成為跨徑100～300 m非常有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一[1]。

1 工程概況

本項(xiàng)目跨越梅溪河，是連接汕頭東、西城區(qū)的重要通道[2]，主橋采用變截面連續(xù)鋼箱梁，跨徑布置為145 m+200 m+122 m，主橋采用左右分幅、上下雙層布置，單幅上層橋?qū)?3 m，布置三車道，汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h；下層布置觀光人行道，人行道寬度為4 m，橋型布置圖見(jiàn)圖1，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖見(jiàn)圖2。橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，位于高烈度地震區(qū)，鋼橋結(jié)構(gòu)較輕利于抗震，項(xiàng)目位于海邊，大節(jié)段鋼結(jié)構(gòu)具有海運(yùn)條件。

圖1 西堤大橋主橋橋型布置圖(尺寸單位：cm)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋鋼材采用Q345qD，鋼箱梁頂板采用正交異性鋼橋面板，厚度為16～30 mm，為方便U肋連接，不同厚度頂板對(duì)接時(shí)，頂板下緣保持齊平。底板板厚24～50 mm，不同厚度底板對(duì)接時(shí)，底板上緣對(duì)齊。腹板板厚16～30 mm，不同厚度腹板對(duì)接時(shí)，內(nèi)側(cè)對(duì)齊。人行道在跨中等高段從底板橫肋對(duì)應(yīng)伸出；梁高變高后，人行道頂面與橋面高度保持不變，人行道挑臂及人行道面板位于高腹板中間區(qū)域。

本橋橫隔板采用實(shí)腹式與V形撐2種隔板，2道實(shí)腹式隔板之間設(shè)2道V形隔板，隔板間距為3 m。為簡(jiǎn)化構(gòu)造，結(jié)合人行道的布設(shè)，全橋范圍在人行道面以上部分同類隔板保持一致尺寸。為避免中跨跨中受壓區(qū)頂板局部失穩(wěn)，在2道橫隔板之間增加1道頂板橫肋，加勁肋支撐間距取1.5 m時(shí)，頂板加勁肋可滿足剛性加勁肋要求。中跨跨中頂板橫肋斷面構(gòu)造見(jiàn)圖3，變高段V形隔板斷面見(jiàn)圖4。

圖3 中跨跨中頂板橫肋斷面構(gòu)造

圖4 變高段V形隔板斷面

為提高正交異性鋼橋面板疲勞性能，在墩頂負(fù)彎矩區(qū)范圍內(nèi)采用5 cm UHPC+4 cm厚高黏高彈瀝青混凝土，在其余范圍內(nèi)采用5 cm LUHPC+4 cm厚高黏高彈瀝青混凝土。LUHPC相對(duì)于普通UHPC，具有密度輕、體積穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，以及收縮小等特點(diǎn)[3]，有利于減輕跨中正彎矩區(qū)鋼梁應(yīng)力。

鋼梁的施工通過(guò)在邊跨及中跨接近中支點(diǎn)區(qū)域搭設(shè)滑移支架，在中跨深水區(qū)域利用浮吊吊裝節(jié)段，通過(guò)滑移支架向邊跨滑移，施工期間應(yīng)保留不小于60 m的通航寬度。

2.1 鋼箱梁設(shè)計(jì)荷載取值

一期恒載。鋼箱梁自重由程序自動(dòng)考慮，橫隔板以集中荷載方式加載；下層人行道板重量以線荷載的方式加載。

二期恒載。5 cm UHPC橋面鋪裝+4 cm厚高黏高彈瀝青混凝土，鋼防撞護(hù)欄及人行道護(hù)欄。

整體升溫25 ℃，整體降溫-25 ℃。溫度梯度按BS5400加載。不均勻沉降按3 cm考慮，車道荷載按規(guī)范取值。

采用橋梁博士建立連續(xù)鋼箱梁整體模型，見(jiàn)圖5。

圖5 橋梁博士全橋有限元模型

2.2 鋼箱梁應(yīng)力控制原則

鋼箱梁應(yīng)力控制應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，整體結(jié)構(gòu)分析僅能得到第一體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，正交異性鋼橋面板計(jì)算時(shí)須疊加第二、三體系分析。對(duì)于鋼箱梁還應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)及受壓板件局部穩(wěn)定對(duì)頂、底板有效寬度的影響。

2.2.1頂板第二、三體系應(yīng)力計(jì)算

本橋采用ANSYS通用有限元軟件，建立主橋跨中27 m最大正彎矩范圍內(nèi)等高段模型，其中V撐采用BEAM 4單元，其余鋼結(jié)構(gòu)部分采用SHELL181單元，模型中考慮STC鋪裝層的組合作用，計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

圖6 ANSYS模型示意圖

根據(jù)車輛加裝位置考慮以下2種工況。

工況一。車輪加載在橫肋上。

工況二。車輪加載加載在橫肋與橫肋之間。

2種工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 跨中頂板二、三體系應(yīng)力 MPa

由表1可知，二、三體系頂板縱向應(yīng)力最大值為32.4 MPa，發(fā)生在荷載工況二作用下。

2.2.2連續(xù)鋼箱梁剪力滯效應(yīng)計(jì)算

剪力滯后的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致箱梁截面正應(yīng)力分布不均勻，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，第5.1.8條，計(jì)算得到本橋中支點(diǎn)處頂板剪力滯折減系數(shù)為0.9，底板折減系數(shù)為0.914，過(guò)渡墩支點(diǎn)截面及跨中截面沒(méi)有剪力滯效應(yīng)。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)比選

大跨度連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，以及鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本節(jié)對(duì)墩頂及跨中梁高、跨中等直段、鋼梁的配板、中支點(diǎn)底板鋼-混疊合段等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了比選，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)。

2.3.1梁高比選

連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，要求盡可能降低主梁高度。梁高的變化是改變截面抗彎慣性矩最有效的方法，為選取合適的梁高，本小節(jié)分別從結(jié)構(gòu)應(yīng)力及剛度方面對(duì)墩頂梁高、跨中梁高進(jìn)行了比較。表2及表3對(duì)比分析了墩頂梁高從8.5～9.5 m、跨中梁高4.5～5.5 m結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及剛度變化情況。

表2 墩頂梁高變化比較結(jié)果

表3 跨中梁高變化比較結(jié)果

表2、表3表明：

1) 增加支點(diǎn)梁高對(duì)支點(diǎn)下緣應(yīng)力有一定的改善，但效果不明顯，跨中梁高5 m，支點(diǎn)梁高由8.5 m加高到9.5 m，支點(diǎn)上緣應(yīng)力改善6%，下緣應(yīng)力改善7%，絕對(duì)值在20 MPa以內(nèi)。當(dāng)支點(diǎn)梁高為8.5 m時(shí)，跨中應(yīng)力大于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)中270 MPa，支點(diǎn)梁高偏小。

2) 增加跨中梁高對(duì)改善跨中應(yīng)力效果較明顯，對(duì)改善墩頂應(yīng)力效果不明顯，支點(diǎn)梁高9 m，跨梁高由4.5 m加高到5.5 m，跨中上、下緣應(yīng)力改善14%左右，絕對(duì)值在35 MPa以內(nèi)，當(dāng)跨中梁高為4.5 m時(shí)，跨中應(yīng)力大于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa，跨中梁高偏小。

3) 增加跨中梁高對(duì)提高結(jié)構(gòu)剛度效率最高，如支點(diǎn)9 m高，跨中梁高由4.5 m加高到5.5 m，剛度提高40%。

4) 各梁高方案剛度均小于規(guī)范容許值L/500=400，滿足規(guī)范要求。

綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度、下層觀光人行道通透性、舒適性，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，取跨中梁高為5 m，為主跨的1/40，墩頂梁高為9 m，為主跨的1/22.2。

2.3.2跨中等直段長(zhǎng)度比選

本橋人行道在跨中等高段從底板橫肋對(duì)應(yīng)伸出；梁高變高后，人行道頂面與橋面高度保持不變，人行道挑臂及人行道面板位于高腹板中間區(qū)域，腹板額外承受了一個(gè)面外彎矩，使得高腹板穩(wěn)定更加不利。因此本橋設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少高腹板范圍，增大跨中等高段長(zhǎng)度，同時(shí)可降低用鋼量。另外人行道面以上全橋保持等高，可以規(guī)整人行道面以上的隔板構(gòu)造，簡(jiǎn)化制造難度。跨中等直段變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及剛度影響見(jiàn)表4。

表4 跨中等直段變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及剛度影響

由表4可知，隨著跨中等直段長(zhǎng)度增大，鋼梁應(yīng)力變化范圍為3%～5%；跨中撓度隨跨中等直段長(zhǎng)度的增大而較明顯增大，最大增量為18%，但均小于規(guī)范容許值L/500=400。此外，本橋施工過(guò)程中需預(yù)留不小于60 m的通航寬度，通航寬度范圍內(nèi)鋼梁擬采用大節(jié)段整體提升，其余段支架拼裝施工方案。故綜合考慮人行道的布設(shè)、隔板構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、高腹板失穩(wěn)及施工，跨中段直線段長(zhǎng)度采用80 m。

2.3.3底板鋼-混結(jié)合段混凝土厚度分析

考慮減薄中支點(diǎn)鋼梁底板厚度，改善鋼梁受壓底板應(yīng)力、提高底板及高腹板穩(wěn)定性，在中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)范圍采用鋼梁底板與混凝土結(jié)合，使鋼梁與底板共同承擔(dān)荷載[5-6]。底板采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，為研究底板混凝土厚度對(duì)鋼梁底板應(yīng)力及結(jié)構(gòu)剛度的影響，表5列出了中支點(diǎn)兩側(cè)各23.5 m范圍內(nèi)混凝土厚度從50～150 cm，鋼梁應(yīng)力及跨中撓度的變化。

表5 中支點(diǎn)位底板混凝土厚度變化比較結(jié)果

由表5可知，隨著中支點(diǎn)位底板混凝土厚度的增加：

1) 中支點(diǎn)位頂板應(yīng)力呈增大趨勢(shì)。

2) 中支點(diǎn)位底板應(yīng)力減小，底板混凝土厚度大于100 cm后，鋼箱梁底板應(yīng)力降低速度減小。

3) 跨中頂?shù)装鍛?yīng)力無(wú)明顯變化。

4) 對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較小。

總體來(lái)說(shuō)，中支點(diǎn)處底板疊合混凝土厚度在1.0 m以內(nèi)時(shí)，對(duì)鋼箱梁底板應(yīng)力改善較大，底板應(yīng)力最多可減小31%；繼續(xù)增加混凝土厚度對(duì)鋼梁應(yīng)力改善作用不大。

本橋最終采用中支點(diǎn)兩側(cè)各3.5 m范圍內(nèi)混凝土厚度為1 m，中支點(diǎn)兩側(cè)各3.5～23.5 m范圍內(nèi)混凝土厚度為0.4～1 m。在底板及底板縱肋、腹板上設(shè)置焊釘連接件，保證混凝土與鋼梁底板的連接性能。中支點(diǎn)底板鋼混疊合段示意見(jiàn)圖7。

圖7 中支點(diǎn)底板疊合段示意(單位：cm)

2.4 鋼梁應(yīng)力

經(jīng)比選計(jì)算，最終確定鋼主梁跨中梁高5 m，支點(diǎn)梁高9 m，跨中等直段為80 m，梁高變化段按二次拋物線變化。中支點(diǎn)兩側(cè)各23.5 m范圍內(nèi)混凝土厚度為0.4～1 m。鋼梁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮橋面UHPC混凝土參與結(jié)構(gòu)受力，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見(jiàn)圖8。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖(單位：cm)

經(jīng)計(jì)算，鋼箱梁基本組合作用下第一體系鋼梁應(yīng)力見(jiàn)圖9、圖10，疊合二、三體系，剪力滯系數(shù)后鋼梁應(yīng)力見(jiàn)表6。

圖9 基本組合下第一體系鋼梁上緣應(yīng)力(單位：MPa)

圖10 基本組合下第一體系鋼梁下緣應(yīng)力(單位：MPa)

表6 基本組合鋼箱梁應(yīng)力 MPa

由表6可知，鋼梁應(yīng)力均小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa。

3 高腹板穩(wěn)定技術(shù)研究

3.1 高腹板穩(wěn)定設(shè)計(jì)

本橋主橋墩頂梁高9 m，腹板高厚比大，高腹板穩(wěn)定性問(wèn)題特別突出，為保證鋼梁腹板在剪力、彎矩和局部橫向集中力共同作用下不失穩(wěn)，最有效的方法是在設(shè)置足夠橫向加勁肋的同時(shí)，需設(shè)置更多的縱向加勁肋[4-5]。當(dāng)腹板加勁肋有足夠的剛度時(shí)，可認(rèn)為腹板被橫、縱向加勁肋分成不同的區(qū)隔，對(duì)各區(qū)隔進(jìn)行局部穩(wěn)定驗(yàn)算即可。

本橋橫隔板間距為3 m，在橫隔板之間增加1道腹板橫肋，腹板橫肋間距為1.5 m。受壓區(qū)腹板縱向加勁肋布置應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。腹板加勁肋布置圖及橫隔板布置見(jiàn)圖11。

圖11 腹板加勁肋布置圖(單位：cm)

腹板橫向、縱向加勁肋剛度及各區(qū)格的局部穩(wěn)定驗(yàn)算主要參照GB 50017-2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算。

腹板加勁肋根據(jù)《規(guī)范》第6.3.6進(jìn)行設(shè)置，橫向加勁肋剛度應(yīng)滿足

縱向加勁肋剛度應(yīng)滿足

根據(jù)計(jì)算，橫向加勁肋及縱向加勁肋的剛度均滿足規(guī)范要求。

腹板區(qū)格局部穩(wěn)定根據(jù)規(guī)范第6.3.4條進(jìn)行驗(yàn)算

根據(jù)腹板所布置的縱肋，中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)區(qū)隔穩(wěn)定系數(shù)最大值為0.761，滿足規(guī)范要求。

3.2 高腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算

采用midas Civil有限元軟件，建立主橋支點(diǎn)變高段模型(3×9=27 m)對(duì)墩頂支座位腹板局部穩(wěn)定進(jìn)行了分析,其1階失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)圖12。

圖12 支點(diǎn)處腹板1階失穩(wěn)模態(tài)

由圖12可知，腹板第1階失穩(wěn)模態(tài)屈曲系數(shù)為13.5>4，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)145 m+200 m+122 m大跨徑連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計(jì)構(gòu)造、參數(shù)比選以及關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，得出以下結(jié)論。

1) 增加跨中梁高對(duì)提高跨中鋼梁應(yīng)力及結(jié)構(gòu)剛度影響較明顯，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟(jì)性合理選定梁高。

2) 在不影響結(jié)構(gòu)剛度的前提下，可加大跨中等直段長(zhǎng)度以減輕結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便鋼梁架設(shè)。

3) 中支點(diǎn)底板混凝土疊合可在一定程度上提高底板及高腹板穩(wěn)定性，但同時(shí)也使鋼梁構(gòu)造及施工過(guò)程更為復(fù)雜，其必要性值得探討。

4) 為提高鋼箱梁的抗彎剛度，最有效的方法是增加梁高，高腹板穩(wěn)定問(wèn)題是設(shè)計(jì)難度與重點(diǎn)，通過(guò)合理布置腹板橫肋與縱肋，提高區(qū)格內(nèi)的臨界穩(wěn)定應(yīng)力可解決高腹板穩(wěn)定問(wèn)題。