變截面連續(xù)鋼箱梁橋設(shè)計

張 煉

（四川日興工程設(shè)計有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

連續(xù)梁橋是上部結(jié)構(gòu)由連續(xù)跨過三個以上支座的梁作為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁[6]。這種橋在恒載作用下，由于支點負彎矩的卸載作用，跨中最大正彎矩顯著減小，因此用在較大跨徑時將較簡支梁橋經(jīng)濟。一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼結(jié)構(gòu)等建成，其上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁的稱為連續(xù)鋼箱梁橋，具有以下受力特點：

（1）通過邊跨與中跨的跨徑配置使梁體在受荷情況下正負彎矩趨于平衡。

（2）上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，自重較混凝土梁小，承載力與自重比值大。

（3）改善了結(jié)構(gòu)在水平荷載（例如地震荷載）作用下的受力性能。

1 設(shè)計主要過程

（1）考慮地形、地質(zhì)及道路總體要求，結(jié)合工程區(qū)域近遠期規(guī)劃等要素，合理確定連續(xù)梁的平面和跨徑布置。

（2）根據(jù)橋梁周邊場地、交通運輸條件等合理擬定橋梁的施工工藝。

（3）根據(jù)該布置情況及相應(yīng)受荷計算要求確定跨中及支點截面梁高，及梁底曲線，初步確定梁體構(gòu)造。

（4）建立橋梁模型，對橋梁結(jié)構(gòu)進行計算，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整梁截面尺寸、鋼板厚度、連接方式、加勁肋等的布置位置、大小及方式，進一步確定梁體構(gòu)造。

（5）對全橋結(jié)構(gòu)進行核算，并滿足各項構(gòu)造措施要求。

2 橋梁工程概況

本工程位于南充市順慶區(qū)中北部，為一座城市跨線橋，橋梁部分寬度17m，雙向四車道，設(shè)計時速60km/h。

2.1 主要技術(shù)標準

1）道路等級：城市主干道；

2）設(shè)計車速：60km/h

3）橋?qū)挘嚎倢?7m；

4）車道：雙向四車道；

5）橋下道路凈空：≥5 米

6）最大縱坡：不大于5%；

7）橋梁橫坡：雙向1.5%；

8）設(shè)計荷載：城-A 級；

9）結(jié)構(gòu)安全等級：一級；

10）設(shè)計基準期：100 年；

11）設(shè)計使用年限：100 年；

12）抗震設(shè)防標準：抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g

2.2 主要材料

主橋鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345qC，材料性能須符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 714-2015）和《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591-2018）的要求。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 跨度的選擇

橋梁孔跨布置，受橋址地形、地質(zhì)與水文條件、通航（或橋下通行）要求影響，同時應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)要求，使用功能要求，美學(xué)要求等，進行綜合比較分析選出最優(yōu)方案。

設(shè)計中常采用三跨連續(xù)梁布置，邊跨長度一般為中跨長度的0.5～0.8 倍，合理的配跨有助于結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的穩(wěn)定性、可調(diào)和性。

本實例設(shè)計跨度，主要根據(jù)橋梁的功能定位及相應(yīng)的道路總體要求確定，其跨度組合為：43m+60m+43m，基本滿足以上原理要求。

3.2 梁體構(gòu)造設(shè)計

3.2.1 鋼箱梁梁高

參考連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力特點和已建成橋梁技術(shù)資料，變截面連續(xù)鋼箱梁橋的中支點處梁高與中跨跨徑之比為1/15～1/25，而中跨跨中及邊跨端點梁高與主跨跨徑之比為1/30～1/40,上述比值根據(jù)邊跨與中跨的跨徑配比有適當變化。梁底梁高變化曲線一般采用二次拋物線。

1）支點梁高：H1=(1/15～1/25)L

本橋 支點截面梁高H1=3.1m

2）跨中梁高：H2=(1/30～1/40)L

本橋跨中截面梁高H2=1.8m

3.2.2 截面尺寸

鋼箱梁的各板件厚度根據(jù)已建成橋梁及構(gòu)件所在部位的受力需求確定，擬定跨中截面尺寸如圖3-1 所示。

圖3-1 1/2跨中截面構(gòu)造（單位:mm）

3.2.3 鋼箱梁分段及分片

鋼箱梁按其跨徑和寬度進行橫向分片和縱向分段。根據(jù)橋面寬度的不同，橫向分為不同的片數(shù)；根據(jù)橋梁跨徑的不同，縱向分為吊裝節(jié)段；橫向節(jié)段劃分原則：根據(jù)箱室數(shù)目劃分；縱向節(jié)段劃分原則：避開剪力較大位置，以運輸、吊裝能力控制節(jié)段長度。

3.2.4 面板與加勁肋

根據(jù)橋?qū)挘撓淞翰捎貌煌慕孛嫘问?。標準橋?qū)?7m 主線橋采用雙箱四室截面，箱室間以橫聯(lián)連接。鋼箱梁頂板加勁肋采用閉口式加勁肋進行縱向加勁，采用U 肋。鋼箱梁底板、腹板采用板式加勁肋進行縱向加勁，布置在梁高0.2h0左右[4]。

3.2.5 橫隔板和橫聯(lián)板

鋼箱梁橫向構(gòu)件為橫隔板及橫梁板，間距1.5～3m 設(shè)置。支承位置附近的橫隔板及橫梁板，因其受橫剪較大，采用板厚及加勁與其余節(jié)段橫隔板不同，其余部位橫隔板及橫梁板為一般構(gòu)造。

3.2.6 節(jié)段連接

本橋鋼箱梁節(jié)段采用全焊方式連接。鋼箱梁節(jié)段吊裝就位后，擰緊臨時匹配件螺栓，再焊接橫向環(huán)焊縫和U 肋、I 肋嵌補段。

3.2.7 梁體預(yù)拱度的設(shè)置

鋼橋設(shè)置的預(yù)拱度宜為結(jié)構(gòu)的自重標準值+1/2 車道荷載頻遇值(頻遇值系數(shù)1.0)產(chǎn)生的撓度[4]。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

鋼梁防腐涂裝主要根據(jù)橋梁所在區(qū)域的環(huán)境分類，參照采用《城鎮(zhèn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 235-2015）要求的中的涂裝體進行適當調(diào)整。橋梁鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝按長效型設(shè)計，使用年限均≥20 年[2]。

4 變截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)計算

4.1 主要材料力學(xué)指標及計算參數(shù)[5]

Q345qC（主梁鋼板）

彈性模量:E=2.06×105MPa

泊松比：0.3

容重:γ=77kN/m3

線膨脹系數(shù):k=0.000012

fd=270MPa(厚度16～40mm)，fd=275MPa(厚度≤16mm)

抗剪強度設(shè)計值:

fvd=155 MPa(厚度16～40mm)fvd=160MPa(厚度≤16mm)

4.2 結(jié)構(gòu)計算模型及分析

(1)結(jié)構(gòu)計算模型

Midas Civil 2018(Ver 8.7.5 R1)有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)分析。整體結(jié)構(gòu)分析模型采用空間桿系模型進行計算，建立主梁板單元模型進行計算。

(2)計算荷載

1)永久作用

一期恒載:結(jié)構(gòu)自重,主橋鋼板容重取76.98kN/m3。

二期恒載：按橋梁實際布置二期恒載取值，鋪裝荷載5kN/m2，護欄20kN/m2。

2)可變荷載

汽車荷載等級：城-A 級，縱向計算采用車道荷載加載。按照《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》第4.3.2 條，計算的結(jié)構(gòu)基頻f=2.4Hz，本橋沖擊系數(shù)μ=0.14。

3)整體溫度作用

系統(tǒng)初始溫度按當?shù)仄骄鶜鉁?4°設(shè)置，最高溫度39°，最低溫度-6°。

4)梯度溫度作用

橋面鋪裝為瀝青混凝土面層，豎向日照正溫差按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ D60-2015)取值。

6)鋼橋面板的應(yīng)力分析有效寬度

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D64-2015）的規(guī)定,鋼橋面板的應(yīng)力分析有效寬度按下式計算：

be=0.965b[4](0.02≤b/l=1.85/60=0.031≤0.3)

4.3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及主要驗算

(1)撓度計算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D64-2015）第4.2.3 條的相關(guān)規(guī)定，簡支或連續(xù)板梁橋主梁在主控可變荷載作用下的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/500。汽車荷載（不計沖擊力，頻遇系數(shù)1.0）作用下?lián)隙热鐖D4-1所示。主梁在汽車荷載作用下最大豎向撓度為89.3mm＜60000/500=120mm，滿足要求。

圖4-1 主梁汽車荷載作用撓度(mm)

(2)預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D64-2015）第4.2.1 條的相關(guān)規(guī)定結(jié)構(gòu)預(yù)拱度按結(jié)構(gòu)自重加1/2 控制可變荷載作用頻遇值（頻遇值系數(shù)1.0）采用。主梁在該荷載作用下最大豎向撓度為73.4mm，主橋預(yù)拱度設(shè)置為76.8mm，滿足要求。

(3)箱梁應(yīng)力驗算

根據(jù)計算結(jié)果可知主梁鋼板應(yīng)力布局和大小，鋼梁應(yīng)力驗算如表4-1 所示。鋼梁各構(gòu)件應(yīng)力滿足要求。

表4-1 鋼梁應(yīng)力驗算表（MPa）

(4)箱梁疲勞驗算

疲勞值計算容許值按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第5.5 條疲勞模型Ⅲ進行橋面板疲勞驗算，選取第二跨跨中截面進行驗算。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的等效常值應(yīng)力幅均在構(gòu)件疲勞應(yīng)力強度范圍內(nèi)。

(5)正交異性板撓跨比驗算

根據(jù)根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》第8.2.3 條，正交異性橋面板頂板的撓跨比不應(yīng)大于1/700。主梁在汽車荷載作用下跨中橋面板局部撓度圖見圖4-2 所示。

圖4-2 汽車荷載作用橋面板局部撓度圖（mm）

D1=39.67-39.62=0.05mm，L1=300mm，D1/L1=1/6000＜1/700，滿足要求。

D2=39.67-36.57=0.10mm，L2=600mm，D2/L2=1/6000＜1/700，滿足要求。

4.4 鋼箱梁結(jié)構(gòu)分析驗算結(jié)論

由以上各計算可知，橋梁上部變截面連續(xù)鋼箱梁設(shè)計滿滿足受力及使用要求，符合規(guī)范相關(guān)規(guī)定。