某高速公路55 m跨鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析

摘要：為研究大跨徑組合梁受力情況，文章以某雙向四車道高速公路55 m跨鋼箱組合梁為研究對象，介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，并基于有限元軟件，考慮活載偏載影響得到了主梁受力情況，選取單位橋面板寬度對橋面板抗彎承載能力及裂縫進行了驗算。計算結(jié)果表明，鋼板組合梁縱橫向受力良好，分析過程可為類似結(jié)構(gòu)提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路；鋼箱組合梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元；受力情況

中圖分類號：U448.21+6" " " 文獻標識號：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.046

文章編號：1673-4874（2024）11-0155-03

0引言

近年來，隨著組合結(jié)構(gòu)理論的不斷發(fā)展和完善，組合結(jié)構(gòu)橋梁在橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到了一定范圍的推廣應(yīng)用。相比混凝土橋，在上跨高速公路且跨徑＞40 m時，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁具有明顯優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)自動化水平高、主要構(gòu)件可實現(xiàn)廠內(nèi)流水線加工制造，且從全線施工成本角度出發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強、施工速度快、工期短、低碳環(huán)保特點，因此從工業(yè)化建設(shè)理念出發(fā)，在建高速公路項目中等跨徑主線橋梁可考慮采用鋼混組合橋梁形式。鋼混組合橋梁主要包括鋼板組合梁、鋼箱組合梁和鋼桁組合梁三種類型，鋼板組合梁跨徑適用范圍較廣，用鋼量較省，鋼桁組合梁梁高較大，現(xiàn)場拼裝工作量較大，而鋼箱組合梁具有良好的抗車輛偏載能力，適用跨度較大［1-3］。

為滿足大跨徑橋梁建設(shè)需求，相關(guān)高校、設(shè)計院及科研院所對鋼箱組合梁進行了較為深入的研究。鐘宇杰等［4］總結(jié)了鋼箱組合梁發(fā)展歷程，從立面布置、截面類型及結(jié)構(gòu)尺寸等方面詳細闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；陶偉［5］基于Midas Civil有限元軟件，對雅康高速冷竹關(guān)大橋承載能力各項指標進行了驗算分析；陳致淳［6］基于山區(qū)橋梁地形地質(zhì)狀況，提出了適宜性的施工組織方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，并分析了施工階段對結(jié)構(gòu)受力的影響；蘇立超［7］從鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，系統(tǒng)性地闡述了橋梁施工、檢測和養(yǎng)護關(guān)鍵性要點。目前關(guān)于鋼箱組合梁的研究包括橋型比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和運營管養(yǎng)層面，相對缺少對于結(jié)構(gòu)驗算的系統(tǒng)性分析。本文以某雙向四車道高速公路55 m跨鋼箱合梁為研究對象，在闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性地對該橋關(guān)鍵受力指標進行了計算分析，以提高橋梁設(shè)計人員對此類橋型的認識。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

某雙向四車道高速公路在上跨42 m既有老路時，為滿足視距及橋墩防護要求，經(jīng)方案論證，采用55 m鋼混組合梁方案進行跨越。橋梁設(shè)計速度為100 km/h，荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面總寬12.8 m，護欄采用SS級防撞護欄等級，護欄寬度為0.6 m，橋梁抗震按照Ⅶ度進行設(shè)防。為充分發(fā)揮鋼材力學性能優(yōu)勢，鋼箱組合梁按照分離式截面進行布置，單個箱梁底寬2 m，箱梁凈距為4.8 m，單側(cè)橋面板懸臂長度為2 m，梁高為3.2 m，梁高與跨徑之比為1/17.2。橋面板按照鋼筋混凝土構(gòu)件進行設(shè)計，分段預(yù)制橋面板通過橫向濕接頭及剪力槽與鋼箱連接牢靠，加腋處和跨中橋面板厚度分別為0.4 m和0.25 m，典型橫斷面如圖1所示。

鋼箱梁縱向按照分階段進行布置，共分為5個梁段，如圖2所示。各梁段范圍內(nèi)鋼箱梁頂板和底板厚度分別為20 mm和22 mm，Ⅱ和Ⅲ梁段腹板厚度為14 mm，Ⅰ梁段腹板厚度為12 mm，以滿足抗剪需要。腹板全線貫通設(shè)置一道縱向加勁肋，Ⅰ梁段增設(shè)一道縱向加勁肋，每2 m設(shè)置一道豎向加勁肋以滿足穩(wěn)定性需要。考慮到結(jié)構(gòu)自重較大，參考類似項目，橫隔板采用框架式橫隔板形式。Ⅲ梁段鋼材材料為Q345qD，Ⅰ梁段和Ⅱ梁段鋼材材料為Q390qD，橋面板混凝土強度等級為C50。

2施工階段

鋼混組合梁施工階段主要包括：（1）鋼梁節(jié)段吊裝就位；（2）安裝分離式鋼箱之間的橫梁，其中橫梁與鋼箱之間采用焊接連接；（3）吊裝分段預(yù)制橋面板；（4）澆筑橋面板橫向濕接縫、剪力槽混凝土，與鋼箱形成聯(lián)合界面，共同受力；（5）進行橋面鋪裝、護欄等二期荷載施工；（6）橋梁混凝土的10年收縮徐變期。

3有限元建模

采用梁格法建模思路，考慮關(guān)鍵施工階段將鋼箱梁和橋面板混凝土分別進行單元離散化，建立有限元數(shù)值模型。模型中鋼材和混凝土容重分別為26 kN/m3和78.5 kN/m3，鋼箱與橋面板施工順序按照施工階段聯(lián)合截面進行考慮。當施工鋼箱時，激活鋼箱單元，鈍化橋面板單元，在形成聯(lián)合截面前橋面板作為外荷載進行處理。按照實際邊界條件設(shè)置情況，分別對鋼箱梁梁端支座位置進行鉸接約束。所建立的鋼箱組合梁縱向有限元模型如圖3所示。

對于橋面板而言，橋面板豎向支承于鋼箱梁上翼緣，受力模式為多點彈性約束板，由于板的跨徑方向遠小于主梁的跨徑方向，因此荷載分布寬度可按照單向板來計算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［8］，可分別求解平行于板跨徑和垂直于板跨徑方向（即順橋向）的荷載分布寬度，考慮到相鄰重輪疊加影響，即荷載大小為280 kN，可得到順橋向橋面板活載分布寬度，如圖4所示。沿順橋向取橋面板長度為1 m，按照實際截面情況，考慮普通鋼筋作用，采用梁單元，建立橋面板有限元模型，如圖5所示。

4結(jié)果分析

4.1鋼箱梁分析

活載布置時考慮應(yīng)急車道，按照最不利三車道偏載工況進行加載，恒載考慮焊縫1.5%倍鋼箱梁自重的影響，鋼箱梁加勁肋按照實際重量在結(jié)構(gòu)自重系數(shù)中進行考慮。鋼箱梁整體分析時主要關(guān)注施工階段和成橋狀態(tài)，此處提取收縮徐變10年后及活載偏載下的鋼箱梁應(yīng)力，計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

從計算結(jié)果來看，施工階段鋼箱梁上翼緣最大壓應(yīng)力為157.7 MPa，下翼緣最大拉應(yīng)力為117.4 MPa，應(yīng)力主要集中在Ⅰ梁段和Ⅱ梁段區(qū)間范圍內(nèi)。成橋后，在偏載作用下，鋼箱梁上翼緣最大壓應(yīng)力為194.8 MPa，下翼緣最大拉應(yīng)力為201.4 MPa，相比于施工階段，最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別增加37.1 MPa和84 MPa，活載對拉應(yīng)力水平增加較多，這與鋼箱梁形成聯(lián)合截面后，截面中性軸明顯上移，底板距中性軸距離加大，因此下翼緣受力對活載較為敏感?？傮w而言，基本組合下，鋼箱梁最大應(yīng)力小于Q390qD鋼材抗拉壓強度設(shè)計值295 MPa［9］，且鋼板應(yīng)力具有一定的安全儲備。

由于活載對鋼箱梁受力影響較大，結(jié)合目前公路運輸多呈現(xiàn)“車流量大、重車占比高”特點，經(jīng)交通量調(diào)查，此處考慮1～3倍的超載系數(shù)，對鋼箱梁上下翼緣應(yīng)力進行研究，得到應(yīng)力變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，超載對鋼箱梁壓應(yīng)力影響較小，對拉應(yīng)力影響較大，當超載達到3倍時最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別增加10.7%和60.6%，其中當超載達到2.6倍時，鋼箱梁下翼緣最大拉應(yīng)力達到299.1 MPa，超過規(guī)范限值，因此實橋中應(yīng)嚴格控制超載發(fā)生，同時鋼箱梁根據(jù)橋梁服役荷載環(huán)境適當增加Ⅰ梁段底板厚度。

4.2橋面板分析

根據(jù)橋面板實際受力特征，分別在上下層布置一層受力主筋，直徑分別為20 mm和16 mm，鋼筋間距為10 cm，按照三車道移動加載，考慮局部效應(yīng)，活載系數(shù)取1.3［10］。經(jīng)計算，承載能力極限狀態(tài)下關(guān)鍵截面正截面抗彎計算結(jié)果見表1，其中彎矩設(shè)計值計算結(jié)果考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

根據(jù)抗彎計算結(jié)果，鋼箱梁內(nèi)側(cè)腹板上翼緣與橋面板連接處（即中支點）負彎矩最大，其數(shù)值為154.8 kN·m，該截面抗彎容許值為265.4 kN·m，安全系數(shù)為1.71，其余關(guān)鍵截面抗彎安全系數(shù)均≥2，滿足規(guī)范要求。

由于中支點截面負彎矩最為不利，在進行正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度計算時，通過有限元軟件提取得到該截面上緣受拉鋼筋應(yīng)力為102.2 MPa，結(jié)合規(guī)范計算公式求得裂縫寬度為0.09 mm，小于規(guī)范限值0.2 mm，因此橋面板裂縫寬度滿足使用要求。

5結(jié)語

本文以某雙向四車道大跨徑分離式鋼箱組合梁為研究對象，闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，并對全橋受力進行了計算分析，主要結(jié)論如下：

（1）在本文所選取的大跨徑鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)尺寸條件下，結(jié)構(gòu)對活載效應(yīng)較為敏感。從施工階段到成橋狀態(tài)，活載應(yīng)力最大增幅為71.6%，后期運營過程中應(yīng)嚴格控制車輛偏載和超載的同時作用，且設(shè)計時應(yīng)確?？缰辛憾蔚装搴穸葷M足受力需求。

（2）預(yù)制橋面板作為橫向受力構(gòu)件，在雙筋截面配置條件下，抗彎承載能力和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，橋面板最不利控制截面位于鋼箱梁內(nèi)側(cè)腹板上翼緣與橋面板連接處，建議加強該位置截面上層鋼筋配置以改善抗裂效果。

參考文獻：

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［9］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范［S］.

［10］JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

作者簡介：覃廣（1985—），工程師，主要從事路橋項目施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18