高速公路鋼混組合箱梁橋設(shè)計

石利強

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西太原 030012)

1 工程概況

秦城樞紐為忻阜高速和大運高速公路交叉而設(shè)置，是忻阜高速公路的重點工程，H匝道橋為該樞紐中跨越原太高速公路的跨線橋。為了最大限度地減少對既有道路交通的影響，該橋選用施工方便、架設(shè)速度快、跨越性能好的(28.5+45+28.5)m的三跨連續(xù)鋼混組合箱梁結(jié)構(gòu)，全長為110.0 m。

2 設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)設(shè)計速度:H匝道橋按60 km/h。2)設(shè)計車輛荷載:公路—Ⅰ級。3)橋面凈寬:9.5 m。4)環(huán)境類別:總體按Ⅱ類環(huán)境設(shè)計，部分結(jié)構(gòu)按Ⅰ類環(huán)境控制。5)地震烈度:地震峰值加速度為0.2g，特征周期值 0.45 s，橋梁按 8 度設(shè)防。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁是由鋼梁和混凝土橋面板組成的箱形斷面，共有兩個箱室，兩個箱體之間通過橫向連接系相連接，鋼梁主要由頂板、腹板、底板、腹板豎向加勁肋、底板縱向加勁肋、橫隔板、橫隔板加勁肋及橫向連接系組成。主梁采用C50混凝土，鋼梁鋼板采用符合國標(biāo)GB 1591-94低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的Q345E鋼板。主梁橫斷面如圖1所示。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)采用花瓶式墩，單個橋墩由兩個花瓶式墩柱組成，兩個墩柱之間由蓋梁相連接;橋墩、橋臺基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

4 整體計算分析

鋼混組合梁橋的主梁是由鋼梁和混凝土橋面板組成，在不同的工作階段，其荷載的分配方式也有所不同。為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對該橋施工階段和使用階段的主要工況進(jìn)行了基于桿系模型的整體仿真計算，以掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

計算時將鋼主梁作為主截面模擬，混凝土橋面板作為附加截面進(jìn)行模擬，并同時考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。全橋劃分為104個單元，105個節(jié)點，其中A段為1號～35號單元，B段為36號～69號單元，C段為70號～104號單元。

4.1 荷載參數(shù)選取

1)恒載。一期恒載:鋼箱梁重量按設(shè)計尺寸計算，混凝土容重取26 kN/m3;

2)混凝土的收縮及徐變作用。按JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范規(guī)定計算，年平均相對濕度80%，混凝土收縮徐變3 000 d;

3)預(yù)應(yīng)力作用。縱向預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.2的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼束，采用兩端張拉。考慮預(yù)應(yīng)力張拉錨固、壓漿和混凝土形成組合截面的過程，預(yù)應(yīng)力損失同步計入。

4)溫度荷載(兩種)。整體溫差:按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范規(guī)定，計算時取體系升溫溫差20℃，降溫溫差20℃;梯度溫度:依據(jù)JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范第4.3.10條的規(guī)定，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土，最高溫度T1取14℃，T2取5.5℃，豎向日照反溫差為正溫差乘以－0.5。

5)汽車荷載:公路—Ⅰ級。選取單根主梁分析計算，其橫向分布系數(shù)按杠桿法進(jìn)行計算。

6)沖擊力。按04規(guī)范上進(jìn)行取值，求取其沖擊系數(shù)為0.088 65。負(fù)彎矩區(qū)的沖擊系數(shù)為0.186 2。

4.2 各計算工況說明及計算分析結(jié)果

主梁鋼箱梁部分采用分段制作:A，C段34.5 m，B段33 m，然后整體吊裝后拼接，最后澆筑混凝土橋面板。該橋施工工序示意圖如圖2所示。

限于篇幅，計算時主要考慮了三種工況，各工況及各工況下該橋主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計算結(jié)果如下:

工況一:架設(shè)A，B，C段，各梁段分別處于簡單支撐狀態(tài)。本階段模擬鋼箱梁各個梁段簡單吊裝在墩臺支架上的狀態(tài)，沒有安裝混凝土橋面板，只有鋼箱梁主截面。鋼梁段A和C在吊裝就位后處于帶懸臂的簡支梁狀態(tài);鋼梁B位于三個臨時墩上，受力體系為對稱布置的兩跨連續(xù)梁。鋼梁只受到自重荷載的作用，應(yīng)力水平較低。主梁的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

工況二:模擬拼接好三段箱梁，填充箱梁內(nèi)部無收縮混凝土，澆筑完除墩頂兩側(cè)范圍6 m的混凝土橋面板，混凝土橋面板作為附加截面與鋼梁主截面共同參與受力后拆除臨時支架的情形。主梁的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計算結(jié)果如圖6～圖9所示。由圖6～圖9可知，該階段由于中跨的臨時支撐拆除，導(dǎo)致中跨的正彎矩和中墩頂部的負(fù)彎矩均增大，邊跨的正彎矩減小。中跨正彎矩的增加會給中跨已經(jīng)澆筑的混凝土橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，邊跨正彎矩的減小會使得已經(jīng)參與受力的邊跨混凝土板出現(xiàn)拉應(yīng)力，同時由于中跨的臨時墩拆除會使得中跨出現(xiàn)較大的豎向變形，邊跨的豎向變形會減小一些。

工況三:使用階段荷載效應(yīng)分析。在使用階段結(jié)構(gòu)承受的活載主要是汽車荷載，汽車荷載的效應(yīng)占活載效應(yīng)的比例很高，有必要對汽車荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行分析，其計算結(jié)果如圖10～圖13所示。

由以上汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力分布計算結(jié)果可知，在汽車荷載作用下，混凝土板和鋼梁共同受力，且其應(yīng)力分布規(guī)律相似。在最大汽車荷載效應(yīng)下，跨中附近混凝土全截面受壓，鋼梁上緣受壓，下緣受拉;支點附近混凝土全截面受拉，鋼梁上緣受拉，下緣受壓。在最小汽車荷載作用下，其效應(yīng)正好相反。

5 結(jié)語

本文對鋼混組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了簡要介紹，并通過整體分析計算表明，主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力及變形計算結(jié)果總體處于規(guī)范允許范圍，所以該結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的、合理的，從而確保了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。

［1］劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］黃 僑.橋梁鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京:人民交通出版社，2004.