鋼箱梁在高速公路路基改橋中的運用

高麗 任廷飛

摘要：以觀云大道下穿環(huán)城高速（K73+000～K75+088.8）互通改建工程為研究對象，介紹了主線橋及B匝道鋼箱梁橋的構(gòu)造、設(shè)計要點，并采用Midas軟件建立空間有限元模型，在基本組合下的應(yīng)力、撓度、抗疲勞性能等進行了分析計算，可為同類橋梁設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;有限元;分析計算

1 工程概況

觀云大道下穿環(huán)城高速（K73+000～K75+088.8）互通改建工程位于貴陽市白云區(qū)，由于貴陽市白云區(qū)觀云大道下穿環(huán)城高速（K73+000～K75+088.8）段，將對環(huán)城高速城（K73+000～K75+088.8）段進行路基開挖，使環(huán)城高速（K73+000～K75+088.8）段以橋梁方式上跨觀云大道，同時為保持環(huán)城高速暢通運行，需修建環(huán)城高速主線便道以及貴黔高速匝道A和匝道B便道工程，即觀云大道下穿環(huán)城高速（K73+000～K75+088.8）互通主線便道工程設(shè)計為一級公路建設(shè)標準，設(shè)計時速80公里/小時，路基寬度擬定為24m，主線全長1.118981Km，匝道A與匝道B便道工程設(shè)計為二級公路建設(shè)標準，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度擬定為8.5m，匝道A全長0.403532Km，匝道B全長0.375405Km。同時增加必要的安全設(shè)施。

主線橋起點樁號K72+999.800，終點樁號K73+085.800，上部構(gòu)造為2×35m等高變寬箱梁，分幅布置，下部構(gòu)造橋臺均為重力式U型橋臺，樁基礎(chǔ)，橋墩均為圓形墩，樁基礎(chǔ)。橋面現(xiàn)澆層為8cm等厚C50改性聚丙烯纖維砼，橋面鋪裝層為10cm等厚瀝青砼。橋梁全長為8m+2×35m+8m=86m，斜交角度20度。

B匝道橋起點樁號BK0+269.763，終點樁號BK0+355.763，上部構(gòu)造為2×35m等高等寬箱梁，下部構(gòu)造橋臺均為重力式U型橋臺，樁基礎(chǔ)，橋墩均為圓形墩，樁基礎(chǔ)。橋面現(xiàn)澆層為8cm等厚C50改性聚丙烯纖維砼，橋面鋪裝層為10cm等厚瀝青砼。橋梁全長為8m+2×35m+8m=86m，斜交角度17度。

2 設(shè)計標準[1]

（1）公路等級：一級。

（2）設(shè)計速度：80km/h。

（3）路基寬度：24m（臨時便道的主線）;8.5m（臨時便道的匝道）。

（4）路面寬度：23m（臨時便道的主線）;7.5m（臨時便道的匝道）。

（5）路面類型：瀝青混凝土路面。

（6）最大縱坡：1.7%（臨時便道的主線）;3.611%（臨時便道的匝道）。

（7）平曲線最小半徑R一般=400米（臨時便道的主線）;平曲線最小半徑R一般=255米（時便道的匝道）。

（8）設(shè)計汽車荷載等級：公路-I級。

3 設(shè)計要點

3.1 孔跨及橋型

3.1.1 主線橋

全橋孔跨布置為2×35m等高變寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面標準寬度為凈（0.5m+11.5m+0.5m）+（0.5m+11.5m+0.5m）+1.0m+=25.0m，橋梁全長86.0m。

3.1.2 B匝道橋

全橋孔跨布置為2×35m等高等寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面標準寬度為凈0.5m+9.5m+0.5m=10.5m，橋梁全長86.0m。

3.2 上部構(gòu)造

3.2.1 主線橋

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，梁高2.0m。

箱梁構(gòu)造及主要尺寸：箱梁分左右兩幅，分幅布置，左幅變寬16.96m～23.88m，單箱三室漸變?yōu)閱蜗渌氖医Y(jié)構(gòu)，右幅等寬12.5m，單箱雙室結(jié)構(gòu)。頂板厚25cm～50cm，底板厚22cm～47cm，腹板厚50cm～100cm，兩側(cè)懸臂長各200cm。支承點均設(shè)一道橫梁，端支點橫梁厚150cm，中支點橫梁厚250cm。箱梁每跨中部設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚30cm。箱梁采用C50混凝土。[2]

3.2.2 B匝道橋

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，梁高2.0m。

箱梁構(gòu)造及主要尺寸：箱梁等寬10.5m，單箱雙室結(jié)構(gòu)。頂板厚25cm～50cm，底板厚22cm～47cm，腹板厚50cm～100cm，兩側(cè)懸臂長各200cm。支承點均設(shè)一道橫梁，端支點橫梁厚150cm，中支點橫梁厚250cm。箱梁每跨中部設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚30cm。箱梁采用C50混凝土。

3.3 下部構(gòu)造

橋臺均采用重力式U型橋臺，承臺樁基礎(chǔ)，樁徑1.8m;橋墩均采用直徑為1.6m圓柱墩，樁基礎(chǔ)，樁徑1.8m。

樁基要求嵌入中風(fēng)化基巖不小于3倍樁徑，并要求樁端基巖單軸抗壓強度不小于8.0MPa。

4 B匝道計算

總體靜力計算采用Midas Civil 2015建立全橋梁格模型，如圖4所示。橫向在每個腹板對應(yīng)位置建立縱梁，兩個挑臂端部分別建立虛擬縱梁，全橋共3片縱梁。橫向在隔板位置建立橫向梁格。

4.1 應(yīng)力計算結(jié)果

4.1.1 組合一計算結(jié)果

最大彎曲應(yīng)力為-177.57MPa<270MPa，滿足規(guī)范要求。

最大剪切應(yīng)力為97.82MPa<155MPa，滿足規(guī)范要求。

4.1.2 組合二計算結(jié)果

最大彎曲應(yīng)力為-177.22MPa<270MPa，滿足規(guī)范要求。

最大剪切應(yīng)力為97.67MPa<155MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 變形計算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第4.2.3條，撓度計算時荷載為不計沖擊力的車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)取1.0，計算結(jié)果如下：

最大變形為27.4mm<35000/500=70mm，滿足規(guī)范要求。

4.3 預(yù)拱度計算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第4.2.4條，變形計算時，荷載組合為恒載標值值+1/2活載標準值，計算結(jié)果如下：

預(yù)拱度為44.64mm。

4.4 支座加勁板計算

承載極限狀態(tài)組合下，支反力計算如下：

根據(jù)計算結(jié)果，支座始終保持受壓狀態(tài)，滿足（JTG D64-2015）第4.2.2條規(guī)定。

邊支座最大反力值為2029.3KN，根據(jù)根據(jù)規(guī)范5.3.4條：

γ0RVAs+BebtwSymbolcB@fed

γ02RVAs+BevtwSymbolcB@fd

As=400×20×6=48000mm2

Beb=B+2（tf+tb）=800+2×（16+20）=872mm（支座鋼板取800mm）

202930048000+872×16=32.76SymbolcB@355MPa，滿足規(guī)范要求。

腹板厚16mm，24×16=384mm>300mm（加勁板間距），故Bev=（Ns-1）bs+24tw=（3-1）×300+24×16=984mm

2×202930048000+984×16=63.67SymbolcB@270MPa，滿足規(guī)范要求。

中支座最大反力值為4502.6KN，根據(jù)規(guī)范5.3.4條：

Beb=B+2（tf+tb）=800+2×（16+20）=872mm

As=400×20×8=64000mm2

450260064000+872×16=57.76SymbolcB@355MPa，滿足規(guī)范要求。

腹板厚16mm，24×16=384mm>300mm（加勁板間距），故Bev=（Ns-1）bs+24tw=（4-1）×300+24×16=1284mm

2×450260064000+1264×16=106.92SymbolcB@270MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5 抗傾覆計算

恒載作用下，支反力計算如下：

橋梁全長70m，根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》第10.0.2條，標準重車為700KN，車輛長18m，則：

70/18=3.89，按縱向布置4輛重車計算。

道路左側(cè)挑臂至邊支座中心距離為2.80m，則單側(cè)傾覆力矩為700×（2.8-0.5-1.8/2）×4=3920KN.m

恒載自重值為：7079.3KN，重心距邊支座為2.45m，則抗傾覆力矩為：

7079.3×2.45=17344.3KN.m;

則17344.3/3920=4.4>2.5

故抗傾覆滿足規(guī)范要求。

4.6 抗疲勞驗算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）第4.1.7條：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗疲勞設(shè)計時，除特別指明外，各作用應(yīng)采用標準值，作用分項系數(shù)應(yīng)取為1.0。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第5.5.2條，疲勞荷載應(yīng)符合下列規(guī)定：疲勞荷載計算模型I型采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7Pk，均布荷載為0.3qk。

箱梁軸向應(yīng)力幅值：27.34+22.39=49.73MPa<0.737×110/1.35=60.05MPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

2016年7月13日交通運輸部發(fā)布了《關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，近幾年鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展迅速，未來幾年可以預(yù)見會有鋼結(jié)構(gòu)橋梁（包括鋼箱梁、鋼桁梁、鋼混組合梁等）的建設(shè)高潮。[3]本文從設(shè)計及有限元計算上分析鋼箱梁的特點，希望給類似橋梁設(shè)計提供設(shè)計上的參考。

參考文獻：

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

[2]蘇彥江.鋼橋構(gòu)造與設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[3]賈高炯.鋼箱梁橋設(shè)計.人民交通出版社，2016.