連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)及受力分析

■黃錦春

（福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福州 350108）

隨著城市化路網(wǎng)的快速發(fā)展，跨線橋數(shù)量大幅增加，為追求通透性及安全性，跨線橋跨度不斷增加。 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁為達(dá)到較大跨徑需要更高的梁高，連續(xù)鋼箱梁則比傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁更加輕便，減少了自身重量，減小了結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，節(jié)省了材料和人力成本[1]。 連續(xù)鋼箱梁用于跨度較大的橋梁， 具有較好的承載能力和穩(wěn)定性，相對(duì)于同樣跨度的混凝土梁， 其結(jié)構(gòu)高度大大降低，獲得更好的通過性。 使用連續(xù)鋼箱梁，可以縮短建設(shè)周期，減少對(duì)交通造成的影響。 連續(xù)鋼箱梁具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、加工制造精度高、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、城市道路、海上橋梁等多個(gè)領(lǐng)域[2]。 本文以一座跨線橋連續(xù)鋼箱梁為工程實(shí)例，采用橋梁博士V4 軟件建立結(jié)構(gòu)空間模型進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概述

國(guó)道G316 線長(zhǎng)樂漳港至營(yíng)前段為福州濱海新城規(guī)劃的“兩縱五橫”快速公路網(wǎng)中的橫向骨架道路，起于濱海新城核心區(qū)，經(jīng)文武砂、古槐、首占、營(yíng)前，至道慶洲大橋長(zhǎng)樂側(cè)，建成后，國(guó)道G316 線將與福泉高速公路連接線、道慶洲大橋一起構(gòu)成老城區(qū)通往濱海新城的東西向最重要的快速通道，該項(xiàng)目進(jìn)一步完善了濱海新城骨架路網(wǎng)，有利于聯(lián)系福州新舊中心城區(qū)，為濱海新城建設(shè)和快速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

國(guó)道G316 線在K9+695.934 下穿福平鐵路青湖特大橋，K9+970.632 上跨福北路，斜交角度44.6°。由于該路線剛下穿鐵路橋，繼而上跨市政路，上跨凈空保證5 m 安全凈空，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁高僅能做到2 m，采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁難以滿足，同時(shí)上跨福北路屬于城市主干道，交通繁忙，橋下凈空非常有限，已沒有支架搭設(shè)空間。 因此，上跨福北路0#～3# 墩跨徑設(shè)計(jì)采用 （42+52+42）m 連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)梁高2 m（高跨比1/26），施工采用分節(jié)段吊裝，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝，既滿足了橋下凈空需求，又能夠保證施工期橋下交通順暢。 該橋梁平面圖、立面圖見圖1、2。

圖1 橋梁平面圖

圖2 橋梁立面圖

2 鋼箱梁設(shè)計(jì)方案

（1）鋼箱梁斷面選擇。 較寬的鋼箱梁結(jié)構(gòu)斷面通常有單箱多室和多箱單室2 種類型，該橋連續(xù)鋼箱梁跨徑（42+52+42）m，橋面寬17 m，為與前后混凝土箱梁外觀相對(duì)應(yīng)，箱室采用單箱三室結(jié)構(gòu)，外腹板采用斜外腹板形式，斜率與前后箱梁對(duì)應(yīng)，外懸臂長(zhǎng)2.3 m，橫斷面采用梁頂?shù)灼叫性O(shè)置，橫坡通過箱梁整體旋轉(zhuǎn)設(shè)置，箱梁中心梁高2 m，為跨徑的1/26。

（2）主梁設(shè)計(jì)。①鋼箱梁采用Q355C 鋼材，頂?shù)装蹇缰胁糠志鶠?6 mm，支點(diǎn)部分頂?shù)装寰雍裰?5 mm，不同板厚頂?shù)装鍖?duì)接時(shí)，保持箱室內(nèi)側(cè)平齊，有利于加勁肋對(duì)接焊；全橋腹板均采用16 mm。②頂板設(shè)置U 肋和板肋相結(jié)合，U 肋厚度8 mm，高度280 mm，懸臂部分采用板肋；底板均采用板肋，厚度20 mm，高度200 mm；為保證腹板穩(wěn)定性，腹板頂?shù)赘髟O(shè)1 道縱向加勁肋。 ③箱梁橫隔板間距采用3 m 間距布置，橫隔板厚度14 mm，為避免中跨跨中受壓區(qū)頂板的局部失穩(wěn)，在2 道橫隔板中間設(shè)置1 道頂板橫向、腹板豎向加勁肋，厚度12 mm。 ④根據(jù)總體下部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性，支座間距采用與混凝土箱梁一致的6 m，中支點(diǎn)橫梁厚度25 mm，端支點(diǎn)橫梁厚度20 mm，支座支承加勁肋根據(jù)支座反力計(jì)算采用30 mm。 鋼箱梁斷面見圖3、4。

圖3 鋼箱梁跨中斷面

圖4 鋼箱梁支點(diǎn)斷面

3 鋼箱梁計(jì)算模型

采用橋梁博士V4 軟件進(jìn)行全橋受力分析。 計(jì)算模型為單梁模型， 按實(shí)際施工模擬施工階段，邊界條件按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)置，橫斷面設(shè)計(jì)考慮箱梁有效寬度，空間分析計(jì)算模型如圖5 所示。 橋梁荷載包括：①自重（按照施工圖實(shí)際進(jìn)行考慮）；②二期荷載（鋪裝及混凝土護(hù)欄）；③汽車荷載為公路-I 級(jí)，橫向布置4 個(gè)車道，考慮車道折減及車道橫向布置，并考慮最不利偏載進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算；④溫度荷載（梯度溫度：按照英國(guó)BS5400 考慮；整體升降溫：整體升溫30℃，整體降溫25℃）；⑤汽車制動(dòng)力；⑥支座沉降（取10 mm）。 橋梁承載能力極限狀態(tài)采用基本組合：①+②+③+④+⑤+⑥。

圖5 計(jì)算模型

4 鋼箱梁計(jì)算分析

4.1 鋼梁正應(yīng)力驗(yàn)算

連續(xù)鋼箱梁進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并按照承載力極限狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算[3]。 荷載效應(yīng)基本組合下主梁彎矩及剪力包絡(luò)圖見圖6、7。 鋼箱梁采用單梁結(jié)構(gòu)模型，由圖可見，其受力特征符合常規(guī)連續(xù)梁特性，跨中最大正彎矩為80 463.3 kN·m，支點(diǎn)最大負(fù)彎矩為89 775.8 kN·m；中支點(diǎn)位置剪力最大值為10 357.7 kN。

圖6 主梁彎矩包絡(luò)圖

圖7 主梁剪力包絡(luò)圖

橋梁博士進(jìn)行第一體系應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，程序考慮主梁剪力滯效應(yīng)，并考慮頂板局部穩(wěn)定[4]，計(jì)算得到頂?shù)装鍛?yīng)力如圖8、9 所示。 由圖可見，在荷載效應(yīng)基本組合下底板下緣跨中最大拉應(yīng)力為136.8 MPa，底板下緣支點(diǎn)最大壓應(yīng)力為142.0 MPa；頂板上緣支點(diǎn)最大拉應(yīng)力為112.3 MPa，頂板上緣跨中最大壓應(yīng)力為125.2 MPa。

圖8 基本組合主梁上緣應(yīng)力圖

圖9 基本組合主梁下緣應(yīng)力圖

頂板考慮疊加第二體系應(yīng)力，橋面板以及縱橫肋一起組成橋面結(jié)構(gòu)第二體系，車輪荷載直接作用于橋面板上，橋面板縱向支撐在鋼箱梁腹板上，橫向彈性支撐在橫隔板上。 參考相類似工程[5]經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮縱肋分布及橫隔板間距，該橋第二體系應(yīng)力按70 MPa 考慮，并考慮1.4 的沖擊系數(shù)，第一、二體系應(yīng)力相疊加后，頂板支點(diǎn)最大拉應(yīng)力為（112.3+1.4×70）MPa=210.3 MPa＜275.0 MPa，跨中最大壓應(yīng)力為（125.2+1.4×70）MPa=223.2 MPa＜285.0 MPa，正應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.2 腹板剪應(yīng)力驗(yàn)算

在荷載效應(yīng)基本組合作用下對(duì)鋼箱梁截面腹板剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如圖10 所示，主梁最大值剪應(yīng)力為95.2 MPa，滿足規(guī)范要求。 腹板設(shè)置1 道橫向加勁肋和1 道縱向加勁肋時(shí)，腹板最小厚度為ηhw/240=0.85×1968/240=7 mm，實(shí)際采用16 mm，滿足規(guī)范要求。

圖10 基本組合主梁剪力圖

4.3 腹板折算應(yīng)力驗(yàn)算

在荷載效應(yīng)基本組合作用下對(duì)鋼箱梁截面腹板折算應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如圖11 所示，腹板在正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下， 折算應(yīng)力最大為166 MPa＜285 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖11 基本組合主梁折算應(yīng)力圖

4.4 撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度計(jì)算

汽車荷載作用下的豎向位移圖見圖12，當(dāng)活載可能引起該跨徑正負(fù)撓度時(shí)，應(yīng)為正負(fù)撓度絕對(duì)值之和，可見，活載作用下，結(jié)構(gòu)跨中計(jì)算撓度為（25.5+9.9）mm=35.4 mm＜（52000/500）mm=104 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

圖12 汽車荷載下豎向撓度

為保證成橋后線形平順美觀，應(yīng)按照結(jié)構(gòu)自重及二期恒載疊加1/2 活載所產(chǎn)生的撓度作為預(yù)拱度值，該橋預(yù)拱度考慮按圖13 所示，中跨跨中預(yù)拱度取47 mm，邊跨取34.8 mm，其余位置按拋物線設(shè)置。

4.5 疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)算

采用疲勞荷載計(jì)算模型I，分別計(jì)算正應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅，如圖14、15 所示，根據(jù)計(jì)算可知，正應(yīng)力幅為16.3 MPa＜（0.737×70/1.35）MPa=38.2 MPa，剪應(yīng)力幅為11.4 MPa＜（0.457×80/1.35）MPa=27.1 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖14 疲勞正應(yīng)力幅圖

圖15 疲勞剪應(yīng)力幅圖

4.6 橫梁計(jì)算

橫梁計(jì)算按連續(xù)梁模擬，橫隔板按工字型截面模擬，翼緣寬度按24 倍頂?shù)装灏搴?，縱向計(jì)算所得到的作用力按集中力加載在腹板位置，汽車荷載按橫向布載布置，其荷載系數(shù)取單列車縱向計(jì)算所得的支點(diǎn)反力。 經(jīng)計(jì)算，中支點(diǎn)橫梁下緣最大拉應(yīng)力為165 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為142 MPa，腹板最大剪應(yīng)力為77 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.7 抗傾覆驗(yàn)算

鋼箱梁由于自身重量輕，恒載反力小，支座在恒活載共同作用下，相較于混凝土箱梁更容易發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。 近年來(lái)，由于車輛偏載導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)整體側(cè)翻傾覆的事件時(shí)有發(fā)生，在鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注重抗傾覆驗(yàn)算[6]。該橋位于R=2500 m 圓曲線上，支座間距均為6 m，在考慮車道偏載情況下，抗傾覆應(yīng)同時(shí)滿足：①在基本組合作用下，各支座均不得出現(xiàn)脫空；②抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)≥2.5。

對(duì)于大半徑曲線橋或直線橋，在一側(cè)車載布置下，另一側(cè)支座容易發(fā)生脫空，在總體設(shè)計(jì)上可采用：（1）合理設(shè)置支座間距，在追求墩梁整體性美觀的前提下，應(yīng)盡可能加大支座間距，以貢獻(xiàn)更多的抗扭及抗傾覆效應(yīng)；（2）鋼箱梁由于自重輕，邊支座可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時(shí)，可采用對(duì)梁端混凝土壓重的方式提高梁端支座反力，從而提供更大的抗傾覆力[7]。連續(xù)鋼箱梁橋通常采取這2 種措施能達(dá)到較好的抗傾覆效果。

該橋進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，如圖16、17 所示，在曲線外側(cè)布置車道， 橋梁內(nèi)側(cè)支座有可能發(fā)生脫空，支座失效，根據(jù)支反力影響線布置，取失效支座所對(duì)應(yīng)荷載最不利布置情況下各支座的并發(fā)反力進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果（見表1），只在曲線外側(cè)偏載布置2 個(gè)車道荷載情況下，基本組合作用下各支座均未出現(xiàn)負(fù)反力， 最小抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為7.17＞2.5，抗傾覆滿足要求。

表1 抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

圖16 抗傾覆最不利布載情況

圖17 傾覆過程有效支座示意圖

5 結(jié)論

本文通過介紹一跨線大跨度連續(xù)鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)方案及計(jì)算模型，對(duì)鋼箱梁強(qiáng)度、剛度、疲勞、穩(wěn)定等性能進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)算分析， 得到以下結(jié)論：（1）通過對(duì)正應(yīng)力、剪應(yīng)力、折算應(yīng)力的驗(yàn)算表明本橋結(jié)構(gòu)承載力滿足要求；（2）通過對(duì)結(jié)構(gòu)變形的驗(yàn)算表明結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，能保證行車舒適性和安全性；（3）通過對(duì)結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)算表明結(jié)構(gòu)在循環(huán)車輛荷載作用下的疲勞穩(wěn)定滿足要求；（4）通過對(duì)結(jié)構(gòu)整體的抗傾覆和構(gòu)件失穩(wěn)驗(yàn)算表明結(jié)構(gòu)整體和局部穩(wěn)定滿足要求。

在跨線橋中，鋼箱梁相較于預(yù)應(yīng)力混凝土梁，高跨比小，受力簡(jiǎn)單，施工方便，得到了很好的應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)特別注意鋼箱梁疲勞和穩(wěn)定的驗(yàn)算，加強(qiáng)抗傾覆驗(yàn)算；支座間距是抗傾覆的關(guān)鍵因素，在追求墩梁整體性美觀的前提下，應(yīng)盡可能加大支座間距，能有效增大鋼箱梁整體抗傾覆系數(shù)；在邊支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時(shí)，可采用梁端壓重的方式進(jìn)行解決，提高整體抗傾覆穩(wěn)定性，避免傾覆的發(fā)生。