鋼結(jié)構(gòu)橋梁完整性設(shè)計(jì)分析

李璐

（中咨盛裕交通設(shè)計(jì)研究有限公司，北京 100089）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、跨越性能優(yōu)越、適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，目前其應(yīng)用頻率越來(lái)越高。近年來(lái)，隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的發(fā)展，出行條件得到了極大的改善，但公路交通方面仍然存在一些問(wèn)題，特別是超載車(chē)輛對(duì)公路橋梁公路結(jié)構(gòu)造成破壞，影響出行安全。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，隨著外部環(huán)境的變化，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的損耗加速，使用年限縮短，影響到人們的日常出行。因此，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)研究工作，提升其安全性非常有必要。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的適用范圍

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗拉性能及抗壓性能非常好，有較好的平面與立面適應(yīng)能力，并且施工便利，可縮短工期，減小施工單位的工期壓力。鋼結(jié)構(gòu)橋梁通常適用于以下場(chǎng)景。

（1）城市高架橋跨越交通關(guān)鍵通道部位。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的跨徑非常大，施工過(guò)程中不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)交通造成過(guò)大的影響。

（2）橋梁需要跨越重要河道部位。若跨徑非常大，混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足施工需求，則只能選擇使用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

（3）立交橋的匝道因地形原因必須使用大跨徑時(shí)，優(yōu)先選擇使用鋼結(jié)構(gòu)。

（4）當(dāng)需要跨越高速公路、高架橋、地鐵等結(jié)構(gòu)物時(shí)，為了提高施工安全性，上部結(jié)構(gòu)選擇使用鋼結(jié)構(gòu)，可以減小對(duì)既有結(jié)構(gòu)主體的影響。

2 工程概況

本文以某立交新建匝道橋工程為例，對(duì)該橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定、縱向加勁肋、鋼箱梁橫梁等方面進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。該匝道橋右轉(zhuǎn)后接入既有主線高架橋，主線段新增加的加、減速車(chē)道通過(guò)新建幫寬橋梁實(shí)現(xiàn)。橫梁跨徑最大的幫寬橋鋼箱梁跨徑布置為2×30m+41m+30m，梁寬3.75～6.702m，梁高1.92m。箱梁采用外側(cè)斜腹板、內(nèi)側(cè)直腹板單箱單室截面，斜腹板斜率為2.63∶1，斜腹板與頂板、底板均設(shè)置圓倒角，頂、底圓倒角半徑分別為0.8和0.4mm。箱梁頂板寬3.63～6.582m，箱底寬2.385～5.377m，外側(cè)懸臂長(zhǎng)度為0.648m，懸臂端部厚度為0.22m，懸臂根部厚度為0.35m，內(nèi)側(cè)直腹板至鋼箱梁頂板左側(cè)邊緣0.05m。梁體均采用Q345qD鋼板焊接而成。橋面板采用正交異性板結(jié)構(gòu)，頂板板厚16mm支點(diǎn)附近加厚至20mm，縱肋采用T形肋，間距為300mm。橫肋板一般間距為2.0m，厚為14mm的橫隔板布置有進(jìn)入孔。箱梁底板板厚為14mm，支點(diǎn)附近加厚至20mm，底板縱肋采用T形肋，縱肋間距為300mm。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)要求

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）、《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091—2017）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017），計(jì)算簡(jiǎn)支箱形梁、連續(xù)梁的受力構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等相關(guān)參數(shù)。

（1）撓度?，F(xiàn)行規(guī)范中明確提出：因機(jī)動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的荷載而形成的豎向撓度嚴(yán)禁超出所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)撓度為橋梁跨徑的1/600，梁的懸臂端部為跨徑的1/300。

（2）預(yù)拱度。現(xiàn)行規(guī)范中明確提出：橋梁結(jié)構(gòu)必須設(shè)置預(yù)拱度。預(yù)拱度的標(biāo)準(zhǔn)值為橋梁結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量加上50%的豎向撓度的總和。若橋梁結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量及撓度未超過(guò)橋梁跨徑的1/1600，則不需要設(shè)置預(yù)拱度。

（3）換算應(yīng)力、剪應(yīng)力、法向正應(yīng)力。連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁的剪應(yīng)力、換算應(yīng)力均需滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（4）疲勞應(yīng)力?，F(xiàn)行規(guī)范明確提出：所有承受應(yīng)力的橋梁構(gòu)件都必須進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式得出橋梁構(gòu)件連接方式對(duì)應(yīng)的疲勞容許應(yīng)力。橋梁構(gòu)件的荷載包括活載、恒載、沖擊力等。在實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)保證計(jì)算流程符合規(guī)范要求。

（5）加勁肋設(shè)置。根據(jù)規(guī)范中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算要求，梁體局部應(yīng)保證足夠的穩(wěn)定性，嚴(yán)格規(guī)定了梁體加勁肋的設(shè)置。板梁腹板的高度與厚度之比對(duì)加勁肋的結(jié)構(gòu)有影響，所以在進(jìn)行加勁肋設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)h0/δ（h0為腹板高度；δ為最大彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力）的值確定是否需要安裝加勁肋。結(jié)合實(shí)際情況，豎向加勁肋的優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于水平方向的加勁肋。豎向加勁肋的間距主要受腹板厚度的影響；水平加勁肋的間距需兼顧豎向加勁肋的設(shè)計(jì)要求。簡(jiǎn)而言之，水平加勁肋是對(duì)豎向加勁肋的一種補(bǔ)強(qiáng)措施。

（6）連接構(gòu)造。橋梁構(gòu)件的連接方式主要有兩種：焊接、鉚接。目前，大部分的鋼結(jié)構(gòu)橋梁都使用焊接，這種連接方式不僅可以減少原材料用量，而且施工便利，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。焊接可以細(xì)分為對(duì)接焊縫與角焊縫。應(yīng)力及焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身質(zhì)量較輕，強(qiáng)度較高，適合用在多車(chē)道或小半徑曲線車(chē)道，橫向抗傾覆穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)[1-2]。實(shí)際案例中，鋼梁整體傾覆的情況發(fā)生得比較多。對(duì)于小半徑曲線鋼梁而言，若鋼梁的跨度非常大，局部可能需要加寬，當(dāng)活載作用下處于不利狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)橫梁支座受力不均而導(dǎo)致的脫空，最終導(dǎo)致梁體發(fā)生傾覆。通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算得出，可將橫梁的支座重心偏移，促使支座受力均勻，并對(duì)橫梁的端部采取灌砂處理，以保證梁體的抗傾覆指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

多車(chē)道橋梁的穩(wěn)定性往往會(huì)受到周邊綠化景觀的影響。當(dāng)橋梁下部立柱間距不大時(shí)，橋面懸挑長(zhǎng)度可以達(dá)到10m，在車(chē)道受到單向荷載的情況下，橋梁的整體抗傾覆能力將無(wú)法滿足規(guī)范要求。在這種情況下，需要在橫梁附近灌注混凝土，增大梁體自身質(zhì)量，以提高梁體的抗傾覆性能。結(jié)合規(guī)范要求，橫梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)一般為1.3，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要兼顧超載、施工荷載等不確定性因素帶來(lái)的影響。本文建議橫梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取1.4～1.5。

橋梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式（1）中：γqf為橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；Sbk為穩(wěn)固橋梁結(jié)構(gòu)的效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合；Ssk為機(jī)動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)傾覆主要是機(jī)動(dòng)車(chē)荷載造成的，單向車(chē)道受壓比較嚴(yán)重，導(dǎo)致支座處于脫空狀態(tài)，由于橋梁的邊界條件失去效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)橋梁的穩(wěn)定性受到影響。橋梁整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆時(shí)，事前并無(wú)顯著預(yù)兆，具有極大的危險(xiǎn)性。因此，在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須分析機(jī)動(dòng)車(chē)荷載及運(yùn)行荷載之間的關(guān)聯(lián)性，保證橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于2.5。

4.2 縱向加勁肋設(shè)置

通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的縱向加勁肋分為扁鋼類、球扁鋼類和U形。通常U形加勁肋的應(yīng)用效果比球扁鋼加勁肋顯著，但是在平面線形場(chǎng)景中使用球扁鋼加勁肋的效能比U形加勁肋更為顯著。對(duì)于簡(jiǎn)支梁而言，橋面的機(jī)動(dòng)車(chē)荷載會(huì)直接作用在橋面受壓兩側(cè)，所以建議在橋梁的上側(cè)邊緣使用U形加勁肋，在橋梁的下側(cè)使用球扁鋼加勁肋，這樣可以最大程度地提高橋梁的穩(wěn)定性，避免橋梁發(fā)生傾覆。

4.2.1 槽鋼構(gòu)件尺寸

U形槽鋼結(jié)構(gòu)使用的是薄壁組件，原材料的密度為7 850kg/m，由Q235冷鋼材加工而成。U形槽鋼結(jié)構(gòu)示意圖和構(gòu)件尺寸分別見(jiàn)圖1和表1。

4.2.2槽鋼構(gòu)件加勁補(bǔ)強(qiáng)方案

圖1 U形槽鋼結(jié)構(gòu)示意圖

表1 U形槽鋼構(gòu)件尺寸

為保證鋼構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，建議通過(guò)增設(shè)加勁肋的方式提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。加勁肋安裝的方式：一是縱向設(shè)置加勁肋；二是橫向設(shè)置加勁肋?？v向加勁肋沿著槽鋼的縱向方向進(jìn)行設(shè)置，加勁肋的厚度為2.85mm，高度為15mm。

4.3 鋼箱梁橫梁計(jì)算

對(duì)于多車(chē)道鋼結(jié)構(gòu)箱梁，不但應(yīng)保證縱向設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，且橫梁需滿足支座間距要求，豎向、橫向加勁肋的間距通過(guò)計(jì)算確定，在支座部位安裝豎向加勁肋。

4.3.1 橫梁簡(jiǎn)化模型分析

計(jì)算得到模型中各個(gè)橫隔梁的內(nèi)應(yīng)力后，對(duì)橫梁各個(gè)支點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析得出：橋梁支座支承范圍內(nèi)的橫隔板承載的彎矩與剪力比較大，且二者的數(shù)值較接近，單個(gè)橫隔板的比重為19%，總占比為59%，支座外側(cè)的首道橫隔板比重為10%，第二道橫隔板的比重為5%～6%。當(dāng)支承范圍內(nèi)的橫隔板受到的內(nèi)力增大時(shí)，支座受到的內(nèi)應(yīng)力占比會(huì)降低。橫梁簡(jiǎn)化面積下的腹板內(nèi)應(yīng)力與橫隔板受到的內(nèi)應(yīng)力基本相同。通過(guò)計(jì)算可以得出，簡(jiǎn)化后的橫隔板數(shù)量為5。為擴(kuò)大橫隔板的適用范圍，本文對(duì)多種跨徑、多種橋面寬度截面之間的影響進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 不同橋?qū)挼臉蛄簷M隔板內(nèi)力

表3 不同橋?qū)捒鐝戒撓淞簷M隔板內(nèi)力分配表

由表2和表3可知，在橋梁跨徑、橋面寬度存在差異的情況下，5道橫隔板內(nèi)力占比最大，約為80%，3道橫隔板內(nèi)力占比則相對(duì)較小，約為60%。由此可知，橫梁簡(jiǎn)化的基本原則為：橋梁支座支承寬度內(nèi)的橫隔板、支座外側(cè)第一道橫隔板應(yīng)簡(jiǎn)化為腹板，可參照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.1.8條確認(rèn)。

4.3.2 橫梁構(gòu)造措施分析

若橫梁簡(jiǎn)化模型中橫隔板的受力相同，但是實(shí)際受力存在波動(dòng)，為保證橋梁整體結(jié)構(gòu)受力合理，應(yīng)在腹板之間設(shè)置短腹板，以達(dá)到橫隔板受力均勻的目的。

在腹板之間設(shè)置短腹板可以降低3道橫隔板的內(nèi)應(yīng)力占比，橫隔板受到的內(nèi)力會(huì)小幅減小。由此可以得出，在腹板之間設(shè)置短腹板、簡(jiǎn)化5道橫隔板的內(nèi)應(yīng)力分配，可保證橫隔板受力足夠均勻，相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力峰值也會(huì)減小。

4.4 施工人孔的設(shè)置

通常情況下，為了便于施工人員作業(yè)，往往會(huì)在箱梁的頂部與腹板部位鉆孔。人工鉆孔應(yīng)在彎矩零點(diǎn)部位，即橋梁1/4跨徑部位；對(duì)于連續(xù)梁，人工鉆孔盡可能選擇在剪力較小的部位；對(duì)于簡(jiǎn)支梁，人工開(kāi)孔應(yīng)在跨中。需要注意的是，人工開(kāi)孔避免設(shè)置在同一個(gè)斷面內(nèi)，而應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)[3]。

4.5 鋼結(jié)構(gòu)涂裝

鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工比較簡(jiǎn)單且具備較強(qiáng)的適用性，但也存在自身的缺陷，如造價(jià)較高，特別是后期維護(hù)成本偏高，會(huì)在一定程度上增大運(yùn)營(yíng)單位的日常開(kāi)銷(xiāo)。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防腐處理可以選擇使用抗腐蝕性較好、附著力較強(qiáng)的涂飾材料。鋼箱梁涂裝材料及涂裝厚度見(jiàn)表4。

表4 鋼箱梁涂裝材料及涂裝厚度

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)質(zhì)量，需要確保其設(shè)計(jì)的完整性。本文結(jié)合某實(shí)際工程，對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆穩(wěn)定性、焊接結(jié)構(gòu)以及加勁肋部位等方面的完整性設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面闡述。橋梁設(shè)計(jì)人員在確定橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)方案和流程時(shí)，應(yīng)樹(shù)立全局觀念，注重細(xì)節(jié)，制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的高質(zhì)量建設(shè)。