輕型組合橋面板鋼箱梁在高架橋中的應用

■姜曉彬 盧童玲 鐘振華

（1.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，杭州 310012；2.杭州天達工程勘察設(shè)計有限公司，杭州 310012）

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、強度高、跨越能力強、施工便捷、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁不論在公路行業(yè)還是市政行業(yè)都得到越來越普遍的應用。但是，鋼結(jié)構(gòu)橋梁造價較高，在同等外部條件下，鋼結(jié)構(gòu)梁橋的造價是混凝土梁橋的1.5～2.0 倍，因此，僅在跨越交通繁忙的道路、航道，同時凈空又受限時，或者在異形結(jié)構(gòu)中才會考慮使用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。另外，鋼箱梁采用正交異性橋面板是目前鋼梁最常用的構(gòu)造方式，但在箱梁腹板頂部附近瀝青混凝土橋面鋪裝時常出現(xiàn)開裂等病害[1]，因此，鋼箱梁結(jié)構(gòu)的應用也受到了一定的限制。本研究結(jié)合具體工程項目，擬采用輕型組合橋面板優(yōu)化鋼橋面受力，通過精細化的計算分析優(yōu)化鋼箱梁的設(shè)計，并與同等長度的預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁進行經(jīng)濟性比較，對鋼箱梁結(jié)構(gòu)在高架橋標準段中的應用進行理論探索。

1 工程概述

滬杭甬高速公路杭州市區(qū)段北起喬司樞紐，南至紅墾樞紐，穿越杭州市江干區(qū)、錢江新城和蕭山區(qū)，全長約23.6 km，其中江干區(qū)段高架橋采用一級公路（集散功能）標準建設(shè)，設(shè)計時速80 km/h，雙向6 車道，標準路輻寬度27.0 m，橋梁橫斷面布置為：0.5 m（防撞護欄）+0.75 m（硬路肩）+3×3.75 m（車行道）+0.5 m（路緣帶）+1.0 m（中央分隔帶）+0.5 m（路緣帶）+3×3.75 m（車行道）+0.75 m（硬路肩）+0.5 m（防撞護欄）。

常規(guī)公路高架橋標準段多采用裝配式T 梁或小箱梁結(jié)構(gòu)，標準跨徑根據(jù)墩高及地質(zhì)條件的因素確定，基本在25～40 m。對于城鎮(zhèn)化地區(qū)的高架橋，由于景觀要求及標高限制，往往采用無需蓋梁、外形美觀的預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，標準跨徑基本在25～35 m。本項目第二段高架橋起點至觀潮路節(jié)點之間的標準段橋梁均擬采用預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁經(jīng)過多年的技術(shù)積累與工程驗證，已經(jīng)相當成熟，但仍存在以下缺點：（1）現(xiàn)場澆筑結(jié)構(gòu)，需要大量的施工支架及模板，施工工期長；（2）滿堂支架施工，對地面交通影響大，保通難度大；（3）工程質(zhì)量較預制結(jié)構(gòu)差；（4）環(huán)保問題突出。

鑒于以上原因，結(jié)合國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能的相關(guān)意見，本研究認為，是否可以通過精細化的設(shè)計，使鋼箱梁結(jié)構(gòu)在高架橋標準段中的應用成為可能，也為今后同類型高架橋的設(shè)計提供更多的可行性方案。

2 標準段橋型方案

30 m 跨徑預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁標準梁高通常為2 m，而鋼箱梁由于箱內(nèi)檢修空間的需要，其在采用U 肋縱向加勁的情況下，最小梁高為1.6 m。此處鋼箱梁梁高與現(xiàn)澆箱梁保持一致，取為2 m，而連續(xù)鋼箱梁的梁高與跨徑的比值通常在1/30～1/25，故鋼箱梁的標準跨徑取60 m。預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁方案和鋼箱梁方案的橋型布置如下：方案1：預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋跨布置為2×（3×30）m，總長180 m，梁高2.0 m；下部采用柱式花瓶墩，墩高7.5 m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.6 m。方案2：鋼箱梁，橋跨布置為3×60 m，總長180 m，梁高2.0 m；下部采用柱式花瓶墩，墩高7.5 m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.6 m。

由于預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁的設(shè)計已非常成熟，故本研究不再具體分析，直接引用依托工程的設(shè)計成果。而鋼箱梁作為標準段設(shè)計的案例極少，且需對其進行精細化設(shè)計，列出鋼箱梁計算分析的過程，再對兩者的經(jīng)濟性進行定量比較。

3 鋼箱梁構(gòu)造及受力驗算

3.1 鋼箱梁構(gòu)造

鋼箱梁橋跨布置為3×60 m，橋面寬度為27.0 m，按雙向6 車道設(shè)計，采用5 箱單室結(jié)構(gòu)。鋼箱梁標準段梁高為2.0 m，端橫梁和中橫梁處局部加高至2.5 m，并設(shè)置4 m 的漸變段。鋼箱梁頂板厚度14 mm，端橫梁處加厚至20 mm，中橫梁處加厚至25 mm；底板厚度12～18 mm，端橫梁處加厚至20 mm，中橫梁處加厚至25 mm；腹板厚度14 mm；實腹式橫隔板縱向間距為5 m，中間設(shè)置3 道腹板橫肋。

鋼箱梁橋面鋪裝采用6 cm UHPC 高強混凝土+4 cm SMA-13 瀝青砼，橋面鋪裝層總厚度為10 cm。鋼箱梁左、中、右均設(shè)置鋼筋砼防撞護欄，不設(shè)置人行道。

3.2 頂板第二體系應力計算

常規(guī)設(shè)計鋼箱梁的橫隔板或橫肋間距為3.0 m，即U 肋的支撐間距為3.0 m，此處考慮采用軋制大U肋，且考慮橋面UHPC 參與受力，即橋面受力體系采用帶大U 肋的輕型組合橋面板（圖1），大U 肋開口寬500 mm，中心間距為1 000 mm，壁厚為10 mm，支撐間距取5.0 m[2]。采用橋梁博士4.0 程序建立頂板U 肋的有限元模型。

圖1 頂板U 肋設(shè)計

3.2.1 U 肋有效寬度計算

橫隔板間距取5 m，可將頂板U 肋看作跨度L=5 m 的連續(xù)梁，頂板U 肋的橫向間距4b=1 000 mm。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第5.1.8 條[3]。（1）連續(xù)梁跨中位置：等效跨徑l=0.6L=0.6×5000=3000 mm；k=b/l=0.083，則有效寬度4be=4（1.06-3.2k+4.5k2）b=826 mm。（2）連續(xù)梁支點位置：等效跨徑l=0.2×2L=0.2×2×5000=2000 mm；k=b/l=0.125，則有效寬度4be=4（1.06-3.2k+4.5k2）b=730 mm。

3.2.2 設(shè)計荷載

設(shè)計荷載包括鋼結(jié)構(gòu)自重、二期恒載重及活載，其中結(jié)構(gòu)自重有限元模型會自動計入；二期恒載取1×0.04×25=1.00 kN/m；活載采用車輛荷載，公路一級車輛荷載總重55 t。

（1）橫向分布系數(shù)γ 計算

橫向分布系數(shù)γ=0.5×a/（s+2×0.1），a/（s+2×0.1）不大于1.0。

其中：0.5 為取單輪荷載，為橫向軸重的一半；a為縱肋間距，U 肋取1.0 m；s 為車輪著地寬度，前輪為0.3 m，中后輪為0.6 m；0.1 為橋面鋪裝厚度，輪壓荷載按45 度向下擴散。

根據(jù)上式計算，前輪橫向分布系數(shù)為0.5 中后輪橫向分布系數(shù)為0.5。

（2）頂板U 肋應力計算

根據(jù)有限元程序計算，U 肋上緣最大壓應力為19 MPa，最大拉應力為14 MPa；U 肋下緣最大壓應力為71 MPa，最大拉應力為92 MPa。

3.3 鋼箱梁整體受力計算

采用橋梁博士4.0 梁單元建立梁格模型，全橋單元數(shù)共計1 747 個，節(jié)點數(shù)共計1 500 個。在鋼梁頂板設(shè)置M15×50 剪力釘，使UHPC 參與受力，即橋梁受力體系為輕型組合梁結(jié)構(gòu)。

3.3.1 鋼梁正應力驗算

由圖2 可知，根據(jù)梁格模型計算結(jié)果，基本組合下鋼梁上緣最大拉應力為123 MPa，最大壓應力為114 MPa，鋼梁下緣最大拉應力為220 MPa，最大壓應力為236 MPa。疊加第二體系應力，鋼梁上緣最大拉應力為215 MPa，最大壓應力為185 MPa，均小于正應力限值（270 MPa），滿足規(guī)范要求。

圖2 基本組合鋼梁上下緣正應力包絡(luò)圖

3.3.2 鋼梁剪應力驗算

由圖3 可知，根據(jù)梁格模型計算結(jié)果，基本組合下鋼梁腹板最大剪應力為71 MPa，小于剪應力限值（160 MPa），滿足規(guī)范要求。

圖3 基本組合鋼梁腹板剪應力包絡(luò)圖

3.3.3 鋼梁折算應力驗算

由圖4 可知，根據(jù)梁格模型計算結(jié)果，基本組合下鋼梁最大折算應力為236 MPa，小于270 MPa，滿足規(guī)范要求。各主梁最大豎向位移為60 mm，小于59400/500=118.8 mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 基本組合鋼梁折算應力包絡(luò)圖

3.3.4 連接件計算

根據(jù) 《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》第9.33 條和9.34 條[4]，對鋼梁頂板剪力連接件的承載能力極限狀態(tài)進行驗算。由圖5 可知，基本組合下剪力連接件的最大剪力為445 kN，小于其抗剪承載能力3 378 kN，滿足規(guī)范要求。其他驗算結(jié)果不在此處一一列出。由有限元建模計算可知，鋼梁各項受力計算均滿足規(guī)范要求。

圖5 基本組合連接件抗剪驗算

4 經(jīng)濟性對比分析

通過對鋼箱梁建模計算，確定了組成鋼箱梁各個板件的厚度，現(xiàn)統(tǒng)計鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)用鋼量見表1。

表1 鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)用鋼量指標

可見，考慮橋面UHPC 參與共同受力組成輕型組合梁后，鋼箱梁的用鋼量指標明顯下降，經(jīng)濟性有了顯著的提升。同時，根據(jù)鋼箱梁與預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁的計算反力值，60 m 跨徑的鋼箱梁傳遞給下部橋墩的荷載比30 m 跨徑的預應力混凝土現(xiàn)澆梁的還要低約25%，同時考慮汽車制動力、溫度力等對橋梁下部結(jié)構(gòu)進行驗算，根據(jù)計算結(jié)果，可將兩者的下部結(jié)構(gòu)尺寸取為一致，這樣180 m 橋梁段內(nèi)鋼箱梁下部結(jié)構(gòu)的工程量僅為預應力混凝土現(xiàn)澆梁下部結(jié)構(gòu)工程量的一半，鋼箱梁的經(jīng)濟性又進一步地得到提升。

現(xiàn)仍以180 m 的橋梁段作為比較段，分上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)（含基礎(chǔ)）及附屬結(jié)構(gòu)對鋼箱梁橋和預應力混凝土現(xiàn)澆梁橋進行定量的經(jīng)濟性分析，見表2。

表2 鋼箱梁橋和預應力混凝土現(xiàn)澆梁橋經(jīng)濟性對比

5 結(jié)語

本研究通過對輕型組合橋面板鋼箱梁的受力計算以及其與預應力混凝土現(xiàn)澆梁的經(jīng)濟性比較，初步對鋼箱梁在高架橋標準段中的應用進行可行性分析，主要結(jié)論如下：（1）鋼箱梁的造價仍高于混凝土現(xiàn)澆梁，但已非常接近，后續(xù)可對鋼箱梁的設(shè)計進行進一步的優(yōu)化；（2）對于地質(zhì)條件較差，下部結(jié)構(gòu)工程量占比較大的工程，鋼箱梁的優(yōu)勢可進一步顯現(xiàn)；（3）鋼箱梁后續(xù)維護費用相對較高，但鋼箱梁的殘余價值高，達到使用壽命后，鋼梁幾乎能被全部回收利用，具有一定的戰(zhàn)略價值；（4）鋼箱梁標準段采用60 m 的跨徑布置，橋下視線通透，整體景觀效果良好，橋下地面道路的交通組織也更為便捷。