大跨徑連續(xù)鋼箱梁設(shè)計方法

戴少雄，謝 斌

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051）

0 前言

西縱聯(lián)絡(luò)線立交為快速路北橫快速通道與西縱快速通道相交的大型互通立交，包括北橫與天泰路立交、西縱與新紅路立交，該項目同時也是天津西站交通樞紐配套市政公用工程。其中北橫與天泰路立交橋梁面積43 177 m2，西縱與新紅路立交橋梁面積77 909 m2，橋梁總面積121 086 m2，見圖1。

圖1 西縱聯(lián)絡(luò)線立交鳥瞰圖

立交兩次跨越子牙河：北橫橋跨越子牙河采用拱形獨塔斜拉橋，斜拉橋主跨145 m，河道中不設(shè)置墩柱，一跨過河，見圖2；西縱橋采用連續(xù)鋼箱梁跨越子牙河，主跨100 m，河道中設(shè)置一根墩柱，見圖3。

本文主要介紹西縱跨河橋大跨徑連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計方法。

1 橋型方案比選

圖2 北橫橋跨河橋

圖3 西縱橋跨河橋

西縱主線橋分左右幅橋跨越子牙河，兩幅橋之間為既有新紅橋。橋址跨越子牙河位置河口寬度約90 m，橋位與河道斜角，交角約55°。如橋梁一跨跨越河道主跨需大于200 m，在方案比選時，200 m跨由于工期無法滿足要求，因此，方案設(shè)計中增加水中墩與既有新紅橋河道中墩柱對齊，經(jīng)反復(fù)研究，最終確定Z線橋跨河段跨徑為95 m+100 m，Y線橋為100 m+68 m，將橋梁主跨減小至100 m。

主跨100的可供比選的主要梁型有預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，結(jié)合梁橋以及鋼箱梁橋。由于橋梁跨越子牙河，為盡量縮短施工周期，計劃采用支架施工。預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的缺點在于自重大，這將增加支架基礎(chǔ)工程量從而增加工期；而結(jié)合梁橋跨徑在100 m時，若采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，對混凝土材料的要求將使設(shè)計難度、施工難度大大增加，而且建成通車后可能出現(xiàn)的橋面混凝土開裂問題極難解決；經(jīng)比選鋼箱梁橋自重輕，架設(shè)速度快，連續(xù)跨越能力強，為本節(jié)點最佳方案。

2 大跨徑鋼箱梁設(shè)計

2.1 總體布置

以Z線跨河橋為例，跨徑布置為68 m+95 m+100 m+60 m，總長323 m。上部結(jié)構(gòu)采用變截面鋼箱梁，邊支點梁高3 m，中支點梁高5 m，梁高變化段長28 m，變化線形為二次拋物線。

鋼箱梁為單箱雙室直腹板斷面，單個箱室寬度為3.375 m，兩側(cè)懸臂各3 m，鋼梁底寬6.75 m，橋面全寬12.75 m。鋼梁斷面見圖4。

圖4 鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

2.2 主鋼板厚度擬定原則

鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板構(gòu)成。其中，底板厚度多由計算確定，腹板厚度多由構(gòu)造確定，同時考慮通過計算進行修正。

支點處的頂板厚度由計算確定，本文主要論述標準段頂板厚度的確定方法。頂板厚度最小值根據(jù)橋面鋪裝形式確定，本橋為鋼橋面，鋪裝為澆筑式瀝青混凝土，通過計算并結(jié)合近年來鋼橋面板使用經(jīng)驗，在頂板厚度小于14 mm時，結(jié)構(gòu)剛度偏弱，橋面鋪裝易損壞。通過不同板厚及U肋厚度和組合，建立空間有限元板殼模型，分析了局部輪載作用下橋面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并對橋面板和加勁肋厚度常用尺寸參數(shù)進行優(yōu)化分析，分析比較結(jié)果見表1。橋面板活載引起的應(yīng)變、變形見圖5、圖6。

從以上分析可以看出，采用14 mm厚的頂板時，橋面板剛度偏小，應(yīng)力偏大較多，且橋面板厚度比U肋厚度對橋面結(jié)構(gòu)受力影響顯著，綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度、耐久性等因素后，采用16 mm橋面板+8 mm U肋的組合方案比較合理。

表1 橋面板與加勁肋優(yōu)化組合次序

圖5 橋面板活載引起應(yīng)變

圖6 橋面板活載引起變形

2.3 連續(xù)鋼箱梁整體分析

整體分析計算采用橋梁博士3.2.0，結(jié)構(gòu)驗算采用Midas Civil 2010。橋梁總長323 m，每個單元長度不大于1 m。約束方式為中間支點水平與豎向均約束，其它4個支點只約束豎向，計算模型見圖7、圖 8。

圖7 整體分析離散模型

圖8 支點板單元模型

計算應(yīng)采用同一模型，對不同頂、底、腹板厚度進行試算，從而確定合理的板厚。在計算結(jié)果比較時，必須注意的是，根據(jù)《英國標準BS5400》中關(guān)于剪力滯后的規(guī)定，采用桿系模型計算時，必須考慮支點處有效寬度的折減，在本橋計算中，實際折減系數(shù)鋼箱梁上緣約為0.667，下緣約為0.741，這與按照空間模型計算的結(jié)果極其吻合。

2.4 支點構(gòu)造分析

支點位置橫梁除按構(gòu)造要求設(shè)計加勁板外，還應(yīng)進行局部應(yīng)力分析。計算采用Midas Civil 2010板單元模型，分析結(jié)果表明，支座上方橫梁有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，見圖9、圖10。

圖9 橫梁應(yīng)力云圖

圖10 增加加勁板橫梁應(yīng)力云圖

為減小支點處橫梁應(yīng)力，在支點附近設(shè)置4道橫梁，通過支座加勁板連接4道橫梁，使之共同作用，減小局部應(yīng)力集中，計算結(jié)果表明，采用這種構(gòu)造，局部最大應(yīng)力能夠減小45%。箱梁支點局部構(gòu)造見圖11、圖12。

圖11 橫梁立面圖

圖12 橫梁斷面圖

3 大跨徑鋼箱梁施工

為縮短施工周期，減小施工難度，鋼箱梁施工采用工廠加工，現(xiàn)場在支架上拼裝焊接。在子牙河河道內(nèi)采用φ600 mm鋼管作為施工支架，鋼箱梁分段在支架上焊接就位。323 m鋼梁分為34個節(jié)段，采用此種方法，現(xiàn)場拼裝焊接時間控制在3個月以內(nèi)。

4 結(jié)語

大跨徑鋼箱梁以自重輕、跨越能力強、施工速度快等優(yōu)點，越來越多的被使用在城市中。本文介紹了西縱跨河橋大跨徑連續(xù)鋼箱梁的設(shè)計要點，論述了大跨徑鋼箱梁的設(shè)計方法和注意事項。

鋼箱梁的設(shè)計應(yīng)從構(gòu)造要求入手，經(jīng)歷由局部——整體——局部的過程，在結(jié)構(gòu)修正過程中，在保證整體穩(wěn)定性的前提下，著重處理應(yīng)力集中的支點區(qū)域，不能簡單的依靠增加鋼板的厚度減小應(yīng)力，而應(yīng)該從構(gòu)造上消除或減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]BS 5400-3-2000,Code of Practice for design of Steel Bridges[S].