高速公路鋼混組合箱梁橋設(shè)計(jì)

石利強(qiáng)

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030012)

1 工程概況

秦城樞紐為忻阜高速和大運(yùn)高速公路交叉而設(shè)置，是忻阜高速公路的重點(diǎn)工程，H匝道橋?yàn)樵摌屑~中跨越原太高速公路的跨線橋。為了最大限度地減少對(duì)既有道路交通的影響，該橋選用施工方便、架設(shè)速度快、跨越性能好的(28.5+45+28.5)m的三跨連續(xù)鋼混組合箱梁結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為110.0 m。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)設(shè)計(jì)速度:H匝道橋按60 km/h。2)設(shè)計(jì)車輛荷載:公路—Ⅰ級(jí)。3)橋面凈寬:9.5 m。4)環(huán)境類別:總體按Ⅱ類環(huán)境設(shè)計(jì)，部分結(jié)構(gòu)按Ⅰ類環(huán)境控制。5)地震烈度:地震峰值加速度為0.2g，特征周期值 0.45 s，橋梁按 8 度設(shè)防。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁是由鋼梁和混凝土橋面板組成的箱形斷面，共有兩個(gè)箱室，兩個(gè)箱體之間通過(guò)橫向連接系相連接，鋼梁主要由頂板、腹板、底板、腹板豎向加勁肋、底板縱向加勁肋、橫隔板、橫隔板加勁肋及橫向連接系組成。主梁采用C50混凝土，鋼梁鋼板采用符合國(guó)標(biāo)GB 1591-94低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的Q345E鋼板。主梁橫斷面如圖1所示。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)采用花瓶式墩，單個(gè)橋墩由兩個(gè)花瓶式墩柱組成，兩個(gè)墩柱之間由蓋梁相連接;橋墩、橋臺(tái)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

4 整體計(jì)算分析

鋼混組合梁橋的主梁是由鋼梁和混凝土橋面板組成，在不同的工作階段，其荷載的分配方式也有所不同。為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該橋施工階段和使用階段的主要工況進(jìn)行了基于桿系模型的整體仿真計(jì)算，以掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

計(jì)算時(shí)將鋼主梁作為主截面模擬，混凝土橋面板作為附加截面進(jìn)行模擬，并同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。全橋劃分為104個(gè)單元，105個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中A段為1號(hào)～35號(hào)單元，B段為36號(hào)～69號(hào)單元，C段為70號(hào)～104號(hào)單元。

4.1 荷載參數(shù)選取

1)恒載。一期恒載:鋼箱梁重量按設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算，混凝土容重取26 kN/m3;

2)混凝土的收縮及徐變作用。按JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定計(jì)算，年平均相對(duì)濕度80%，混凝土收縮徐變3 000 d;

3)預(yù)應(yīng)力作用?？v向預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.2的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼束，采用兩端張拉?？紤]預(yù)應(yīng)力張拉錨固、壓漿和混凝土形成組合截面的過(guò)程，預(yù)應(yīng)力損失同步計(jì)入。

4)溫度荷載(兩種)。整體溫差:按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范規(guī)定，計(jì)算時(shí)取體系升溫溫差20℃，降溫溫差20℃;梯度溫度:依據(jù)JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范第4.3.10條的規(guī)定，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土，最高溫度T1取14℃，T2取5.5℃，豎向日照反溫差為正溫差乘以－0.5。

5)汽車荷載:公路—Ⅰ級(jí)。選取單根主梁分析計(jì)算，其橫向分布系數(shù)按杠桿法進(jìn)行計(jì)算。

6)沖擊力。按04規(guī)范上進(jìn)行取值，求取其沖擊系數(shù)為0.088 65。負(fù)彎矩區(qū)的沖擊系數(shù)為0.186 2。

4.2 各計(jì)算工況說(shuō)明及計(jì)算分析結(jié)果

主梁鋼箱梁部分采用分段制作:A，C段34.5 m，B段33 m，然后整體吊裝后拼接，最后澆筑混凝土橋面板。該橋施工工序示意圖如圖2所示。

限于篇幅，計(jì)算時(shí)主要考慮了三種工況，各工況及各工況下該橋主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果如下:

工況一:架設(shè)A，B，C段，各梁段分別處于簡(jiǎn)單支撐狀態(tài)。本階段模擬鋼箱梁各個(gè)梁段簡(jiǎn)單吊裝在墩臺(tái)支架上的狀態(tài)，沒有安裝混凝土橋面板，只有鋼箱梁主截面。鋼梁段A和C在吊裝就位后處于帶懸臂的簡(jiǎn)支梁狀態(tài);鋼梁B位于三個(gè)臨時(shí)墩上，受力體系為對(duì)稱布置的兩跨連續(xù)梁。鋼梁只受到自重荷載的作用，應(yīng)力水平較低。主梁的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

工況二:模擬拼接好三段箱梁，填充箱梁內(nèi)部無(wú)收縮混凝土，澆筑完除墩頂兩側(cè)范圍6 m的混凝土橋面板，混凝土橋面板作為附加截面與鋼梁主截面共同參與受力后拆除臨時(shí)支架的情形。主梁的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果如圖6～圖9所示。由圖6～圖9可知，該階段由于中跨的臨時(shí)支撐拆除，導(dǎo)致中跨的正彎矩和中墩頂部的負(fù)彎矩均增大，邊跨的正彎矩減小。中跨正彎矩的增加會(huì)給中跨已經(jīng)澆筑的混凝土橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，邊跨正彎矩的減小會(huì)使得已經(jīng)參與受力的邊跨混凝土板出現(xiàn)拉應(yīng)力，同時(shí)由于中跨的臨時(shí)墩拆除會(huì)使得中跨出現(xiàn)較大的豎向變形，邊跨的豎向變形會(huì)減小一些。

工況三:使用階段荷載效應(yīng)分析。在使用階段結(jié)構(gòu)承受的活載主要是汽車荷載，汽車荷載的效應(yīng)占活載效應(yīng)的比例很高，有必要對(duì)汽車荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果如圖10～圖13所示。

由以上汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果可知，在汽車荷載作用下，混凝土板和鋼梁共同受力，且其應(yīng)力分布規(guī)律相似。在最大汽車荷載效應(yīng)下，跨中附近混凝土全截面受壓，鋼梁上緣受壓，下緣受拉;支點(diǎn)附近混凝土全截面受拉，鋼梁上緣受拉，下緣受壓。在最小汽車荷載作用下，其效應(yīng)正好相反。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼混組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要介紹，并通過(guò)整體分析計(jì)算表明，主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果總體處于規(guī)范允許范圍，所以該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的、合理的，從而確保了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

［1］劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］黃 僑.橋梁鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京:人民交通出版社，2004.