福建沙埕灣跨海大橋主橋鋼箱梁設(shè)計(jì)

■黃曉偉

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

1 概述

沙埕灣跨海公路通道是國家公路網(wǎng)寧波至東莞高速公路和海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)高速公路網(wǎng)“三縱八橫”主骨架中的“第二縱”跨越沙埕灣的關(guān)鍵性工程。沙埕灣跨海大橋?yàn)槠淇刂菩怨こ?大橋位于福鼎市佳陽鄉(xiāng)竹甲鼻附近，以主跨535m的主橋跨越竹甲鼻與青嶼島之間的北汊水域(水面寬約485m)。主橋采用雙塔雙索面單側(cè)混合梁斜拉橋[1](見圖1)，北邊跨為混凝土梁，中跨及南邊跨為鋼箱梁，跨徑組成為(49+58+61+535+198+60)m。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級(jí)：雙向六車道高速公路。

(2)行車速度：100 km/h。

(3)車輛荷載等級(jí)：公路-I級(jí)。

(4)橋?qū)挘?.2 m(風(fēng)嘴)+1.5m(人行道)+1.05m(索 區(qū))+0.5m(防撞護(hù)欄)+3.0m(緊急停車帶)+3×3.75m(行車道)+(0.75m+2m+0.75m)(中間帶)+3×3.75m(行車道)+3.0m(緊急停車帶)+0.5m(防撞護(hù)欄)+1.05m(索區(qū))+1.5m(人行道)+1.2 m(風(fēng)嘴)=40.5m。

3 鋼梁斷面

主梁采用封閉扁平流線形鋼箱梁(見圖2)，主要輪廓尺寸為：含風(fēng)嘴底板寬8.85+22.8+8.85=40.5m，中心線處梁高3.204m。橋面設(shè)置2.5%雙向橫坡。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力性能以及橋梁所處地區(qū)的溫度條件，考慮橋址處低溫、焊接、疲勞等因素，主梁采用Q345qD橋梁用結(jié)構(gòu)鋼。

圖1 沙埕灣跨海大橋主橋橋型布置(單位：m)

圖2 沙埕灣跨海大橋主橋鋼梁橫斷面(單位：m)

3.1 鋼梁頂板

頂板在縱橋向均采用16mm板厚，橫橋向靠近外腹板的錨固區(qū)2880mm范圍內(nèi)增強(qiáng)至20mm板厚，以利于斜拉索索力的擴(kuò)散。

頂板除了中央分隔帶及靠近外腹板處設(shè)置16mm厚板肋外，其余部位均采用U型加勁肋加勁。U肋上口寬300mm，下口寬180mm，基本間距600mm。U型加勁肋根據(jù)其所支撐頂板厚度的不同，采用8、10mm兩種厚度(16mm頂板采用8mm加勁肋，錨固區(qū)20mm頂板采用10mm厚加勁肋)。采用上述措施，有利于提高橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害的發(fā)生。

3.2 鋼梁底板

底板包括水平底板和斜底板兩部分。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，水平和斜底板在順橋向按照梁段分別采用了12mm～20mm不同板厚，其中結(jié)合段附近的梁段和塔區(qū)梁段板厚為20mm，墩頂壓重區(qū)梁段板厚為16mm。其余梁段板厚均為12mm，底板順橋向不同板厚相接保證底板頂緣對(duì)齊。

底板采用U型加勁肋加勁，基本間距800mm。加勁肋厚度根據(jù)其所支承底板厚度的不同，在6～8mm之間變化(12mm、14mm厚底板采用6mm厚加勁肋，16mm、20mm厚底板采用8mm厚加勁肋)。

3.3 鋼梁腹板

外腹板厚度均為30mm。為保證其具有足夠的抗壓屈能力，設(shè)置兩道240×24mm水平加勁肋。拉索錨固區(qū)再增設(shè)兩道200×20mm水平加勁肋，以增大外腹板剛度。

3.4 鋼梁橫隔板

鋼箱梁內(nèi)的橫隔板均采用板式橫隔板，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3m和3.75m，可以保證鋼箱梁具有足夠的橫向剛度、抗扭剛度，滿足支承其上的正交異性板的局部變形的要求，改善橋面鋪裝受力狀態(tài)。非吊點(diǎn)處橫隔板厚度為10mm，在拉索錨固處加厚至16mm，支座安裝處等特殊部位根據(jù)受力需要，采用了不同板厚。在鋼箱梁起吊過程中，為防止橋面吊機(jī)前支點(diǎn)處主梁出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，主梁在吊機(jī)前支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫隔板處設(shè)置前支點(diǎn)橫隔板加勁構(gòu)造。

根據(jù)鋼箱梁橫隔板制造工藝要求，橫隔板制造方式有：搭接式橫隔板，整體式橫隔板，分塊式整體橫隔板3種方式。

(1)搭接式橫隔板

搭接式橫隔板將隔板分成三部分，上下連接板及搭接板。由于在鋼箱梁總拼前可以將上下連接板分別與頂、底板焊接，總拼時(shí)再焊搭接板，焊縫質(zhì)量容易控制，避免了仰焊。但搭接式橫隔板存在受力偏心的問題，對(duì)鋼箱梁總體受力不利。

(2)整體式橫隔板

整體式橫隔板不存在連接板和搭接板，受力明確，減少了橫位對(duì)接焊縫，殘余變形較小，工裝控制簡單。但整體式橫隔板導(dǎo)致了橫隔板與面板U肋焊縫之間須仰焊，同時(shí)，對(duì)接困難會(huì)導(dǎo)致大量配切工作，總體質(zhì)量難以控制，面板單元耐久性降低。

(3)分塊式整體橫隔板

分塊式整體橫隔板分成2～3部分，頂板連接板、底板連接板和橫隔板。分塊式整體橫隔板避免了受力偏心，避免了仰焊，采取了搭接式和整體式的優(yōu)點(diǎn)。

該橋橫隔板設(shè)計(jì)選擇分塊式整體橫隔板，梁內(nèi)橫隔板由上、下兩塊板組成，上、下板熔透對(duì)接。上板與頂板單元一起組裝，板塊間采用熔透對(duì)接的方式相連。

3.5 鋼梁縱隔板

梁段內(nèi)橫向設(shè)置兩道縱隔板。由于正交異性板的橫向剛度很小，在橋面車輪荷載作用下，桁架式縱隔板(見圖3)桁架桿件與頂板連接處的疲勞應(yīng)力幅較大，在已有橋梁上發(fā)現(xiàn)桁架桿件出現(xiàn)疲勞開裂?？紤]到縱隔板采用桁架式對(duì)鋼材用量減少有限，且施工不便，為穩(wěn)妥起見，所有梁段均采用實(shí)腹板式。

圖3 桁架式縱隔板疲勞開裂示意

實(shí)腹板式縱隔板采用整體式，由上、下兩塊板組成，上、下板熔透對(duì)接。根據(jù)受力需要，采用了12、16、20和24mm四種板厚。由于縱隔板高厚比較大，為保證其具有足夠的抗壓屈能力，設(shè)置了三道T型加勁肋。

3.6 U肋焊接設(shè)計(jì)

據(jù)目前鋼箱梁的調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，U肋和頂板連接處焊縫位置出現(xiàn)的疲勞開裂最多。由于縱向U肋內(nèi)部空間狹小，U肋內(nèi)側(cè)與鋼橋面間無法焊接，U肋與鋼橋面連接只能采用U肋外側(cè)單面焊的傳統(tǒng)連接方式。為提高U肋和鋼橋面連接部位的疲勞性能，本工程橋面板U肋焊接采用U肋內(nèi)焊技術(shù)。

與單面焊相比，U肋雙面焊技術(shù)(見圖4)增加焊縫截面積，并且雙焊縫形心與U肋肋板形心對(duì)應(yīng)，采用U肋雙面焊技術(shù)可大幅降低局部輪載作用下，U肋焊縫焊根處及橋面板焊趾處的應(yīng)力幅值，從而避免從焊縫焊根處萌生的疲勞裂紋問題，同時(shí)也大幅提高了橋面板焊趾處疲勞性能。

鋼橋面板制作過程中應(yīng)按以下工藝流程進(jìn)行施工：U肋板單元組裝定位→U肋內(nèi)焊→U肋外焊→U肋板單元矯正→轉(zhuǎn)下道工序。正交異性鋼橋面U肋板單元關(guān)鍵制造工序見圖5。

3.7 索梁錨固

目前鋼箱梁常見的索梁錨固型式主要有3種：錨箱式錨固、耳板式錨固和錨拉板錨固3種(見圖6)。

(1)錨箱式錨固

錨箱式錨固結(jié)構(gòu)是在腹板外側(cè)焊接箱形結(jié)構(gòu),拉索錨固在錨箱的承壓板上,主要由2塊錨固板、承壓板、錨固板間的加勁板、錨固板上的加勁板、墊板構(gòu)成。斜拉索拉力是通過錨固板和承壓板與腹板連接的焊縫,以剪力的形式傳遞到腹板上,腹板上的力通過橫隔板、頂板和底板,傳遞到整個(gè)截面,并均勻擴(kuò)散。斜拉索錨頭置于風(fēng)嘴內(nèi)，景觀效果好。

(2)耳板式錨固

圖4 U肋焊縫示意

圖5 正交異性鋼橋面U肋板單元關(guān)鍵制造工序圖

圖6 斜拉索的三種梁端錨固形式

耳板式錨固是斜拉索錨頭、銷接連接件、錨固耳板及補(bǔ)強(qiáng)板組成，主梁外腹板向上伸出耳板，斜拉索直接通過銷接連接件與耳板連接。由于耳板在銷孔附近的局部應(yīng)力較大，要求鋼材具有很高的屈服強(qiáng)度和較大的板厚度，給材料采購和制造加工帶來困難，當(dāng)索力較大時(shí)，耳板材料問題更為突出。

(3)錨拉板錨固

拉板式連接是將鋼板作為拉板,拉板上部開槽,槽口內(nèi)側(cè)焊接于錨管外側(cè),斜拉索穿過錨管并錨固在其底部；下部直接用焊縫與主梁頂緣焊接。索力通過錨管與拉板間的焊縫將索力傳遞給錨拉板，再通過拉板與鋼梁頂緣的焊縫，將索力傳遞給鋼梁。拉板與錨管、拉板與主梁頂板焊縫是受力的關(guān)鍵,但應(yīng)力集中非常嚴(yán)重,尤其后者受豎向拉應(yīng)力、縱向剪應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力共同作用，應(yīng)力狀態(tài)負(fù)責(zé)。位于拉板下緣的主梁頂板需要增加鋼板的Z向性能，確保拉板與主梁頂板焊縫處的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

通過研究比選，本橋采用錨箱式錨固形式，主梁外腹板和承壓板內(nèi)側(cè)均設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，以利于錨固處的應(yīng)力合理分散到主梁上。為使承壓板的壓彎曲較小，承壓板及其墊板采用不同的板厚，并將承壓板做成四邊支撐的構(gòu)造。根據(jù)斜拉索索力的不同和錨箱板件受力情況，將錨箱構(gòu)造分成了M1～M4共四種類型。

4 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合段位置的合理設(shè)置[5]，能較流暢地承受并傳遞各種作用產(chǎn)生的內(nèi)力及變形。接頭位置應(yīng)具有良好的抗疲勞性和耐久性，外形上也要求鋼梁和混凝土梁過渡一致。

圖7 結(jié)合段縱剖面圖(單位：mm)

預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的連接位置宜選擇在彎矩和剪力均較小的區(qū)域，一般設(shè)在橋塔附近，可以在邊跨側(cè)，也可以在中跨側(cè)。本橋鋼混結(jié)合段(見圖7)設(shè)在中跨側(cè)距北塔中心12.5m位置，此處彎矩和剪力均較小，結(jié)合段采用后承壓板連接方式，長度為2m。

與混凝土連接的鋼箱梁，頂、底板和腹板均伸入2m長度至混凝土梁中，全斷面連接形成一體。鋼梁與混凝土結(jié)合部位較大的軸向力，通過承壓板緊貼混凝土梁傳遞。主梁頂、底板通過抗剪焊釘與混凝土牢固結(jié)合，并利用混凝土梁內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力束加以錨固，形成彎矩傳遞。梁中的剪力通過端面焊釘傳遞。此外鋼板與混凝土間的摩阻力和粘結(jié)力也可發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)有足夠的安全性保障。

5 結(jié)語

受氣候以及地理位置等因素的影響，對(duì)鋼箱梁的工作性能要求較高。在該橋的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)鋼箱梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)采取了較多的改進(jìn)措施，如區(qū)別對(duì)待內(nèi)、外側(cè)車道橋面系構(gòu)造，U肋焊接采用雙面焊,采用實(shí)腹式縱隔板等，設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工提出了適當(dāng)?shù)墓に囈?，保證了鋼結(jié)構(gòu)成品的整體質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性能。