大跨徑連續鋼箱梁設計方法

戴少雄，謝 斌

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 前言

西縱聯絡線立交為快速路北橫快速通道與西縱快速通道相交的大型互通立交，包括北橫與天泰路立交、西縱與新紅路立交，該項目同時也是天津西站交通樞紐配套市政公用工程。其中北橫與天泰路立交橋梁面積43 177 m2，西縱與新紅路立交橋梁面積77 909 m2，橋梁總面積121 086 m2，見圖1。

圖1 西縱聯絡線立交鳥瞰圖

立交兩次跨越子牙河：北橫橋跨越子牙河采用拱形獨塔斜拉橋，斜拉橋主跨145 m，河道中不設置墩柱，一跨過河，見圖2；西縱橋采用連續鋼箱梁跨越子牙河，主跨100 m，河道中設置一根墩柱，見圖3。

本文主要介紹西縱跨河橋大跨徑連續鋼箱梁的設計方法。

1 橋型方案比選

圖2 北橫橋跨河橋

圖3 西縱橋跨河橋

西縱主線橋分左右幅橋跨越子牙河，兩幅橋之間為既有新紅橋。橋址跨越子牙河位置河口寬度約90 m，橋位與河道斜角，交角約55°。如橋梁一跨跨越河道主跨需大于200 m，在方案比選時，200 m跨由于工期無法滿足要求，因此，方案設計中增加水中墩與既有新紅橋河道中墩柱對齊，經反復研究，最終確定Z線橋跨河段跨徑為95 m+100 m，Y線橋為100 m+68 m，將橋梁主跨減小至100 m。

主跨100的可供比選的主要梁型有預應力混凝土梁橋，結合梁橋以及鋼箱梁橋。由于橋梁跨越子牙河，為盡量縮短施工周期，計劃采用支架施工。預應力混凝土梁橋的缺點在于自重大，這將增加支架基礎工程量從而增加工期；而結合梁橋跨徑在100 m時，若采用連續結構，對混凝土材料的要求將使設計難度、施工難度大大增加，而且建成通車后可能出現的橋面混凝土開裂問題極難解決；經比選鋼箱梁橋自重輕，架設速度快，連續跨越能力強，為本節點最佳方案。

2 大跨徑鋼箱梁設計

2.1 總體布置

以Z線跨河橋為例，跨徑布置為68 m+95 m+100 m+60 m，總長323 m。上部結構采用變截面鋼箱梁，邊支點梁高3 m，中支點梁高5 m，梁高變化段長28 m，變化線形為二次拋物線。

鋼箱梁為單箱雙室直腹板斷面，單個箱室寬度為3.375 m，兩側懸臂各3 m，鋼梁底寬6.75 m，橋面全寬12.75 m。鋼梁斷面見圖4。

圖4 鋼箱梁橫斷面（單位：mm）

2.2 主鋼板厚度擬定原則

鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板構成。其中，底板厚度多由計算確定，腹板厚度多由構造確定，同時考慮通過計算進行修正。

支點處的頂板厚度由計算確定，本文主要論述標準段頂板厚度的確定方法。頂板厚度最小值根據橋面鋪裝形式確定，本橋為鋼橋面，鋪裝為澆筑式瀝青混凝土，通過計算并結合近年來鋼橋面板使用經驗，在頂板厚度小于14 mm時，結構剛度偏弱，橋面鋪裝易損壞。通過不同板厚及U肋厚度和組合，建立空間有限元板殼模型，分析了局部輪載作用下橋面結構的受力狀態，并對橋面板和加勁肋厚度常用尺寸參數進行優化分析，分析比較結果見表1。橋面板活載引起的應變、變形見圖5、圖6。

從以上分析可以看出，采用14 mm厚的頂板時，橋面板剛度偏小，應力偏大較多，且橋面板厚度比U肋厚度對橋面結構受力影響顯著，綜合考慮結構剛度、耐久性等因素后，采用16 mm橋面板+8 mm U肋的組合方案比較合理。

表1 橋面板與加勁肋優化組合次序

圖5 橋面板活載引起應變

圖6 橋面板活載引起變形

2.3 連續鋼箱梁整體分析

整體分析計算采用橋梁博士3.2.0，結構驗算采用Midas Civil 2010。橋梁總長323 m，每個單元長度不大于1 m。約束方式為中間支點水平與豎向均約束，其它4個支點只約束豎向，計算模型見圖7、圖 8。

圖7 整體分析離散模型

圖8 支點板單元模型

計算應采用同一模型，對不同頂、底、腹板厚度進行試算，從而確定合理的板厚。在計算結果比較時，必須注意的是，根據《英國標準BS5400》中關于剪力滯后的規定，采用桿系模型計算時，必須考慮支點處有效寬度的折減，在本橋計算中，實際折減系數鋼箱梁上緣約為0.667，下緣約為0.741，這與按照空間模型計算的結果極其吻合。

2.4 支點構造分析

支點位置橫梁除按構造要求設計加勁板外，還應進行局部應力分析。計算采用Midas Civil 2010板單元模型，分析結果表明，支座上方橫梁有明顯的應力集中現象，見圖9、圖10。

圖9 橫梁應力云圖

圖10 增加加勁板橫梁應力云圖

為減小支點處橫梁應力，在支點附近設置4道橫梁，通過支座加勁板連接4道橫梁，使之共同作用，減小局部應力集中，計算結果表明，采用這種構造，局部最大應力能夠減小45%。箱梁支點局部構造見圖11、圖12。

圖11 橫梁立面圖

圖12 橫梁斷面圖

3 大跨徑鋼箱梁施工

為縮短施工周期，減小施工難度，鋼箱梁施工采用工廠加工，現場在支架上拼裝焊接。在子牙河河道內采用φ600 mm鋼管作為施工支架，鋼箱梁分段在支架上焊接就位。323 m鋼梁分為34個節段，采用此種方法，現場拼裝焊接時間控制在3個月以內。

4 結語

大跨徑鋼箱梁以自重輕、跨越能力強、施工速度快等優點，越來越多的被使用在城市中。本文介紹了西縱跨河橋大跨徑連續鋼箱梁的設計要點，論述了大跨徑鋼箱梁的設計方法和注意事項。

鋼箱梁的設計應從構造要求入手，經歷由局部——整體——局部的過程，在結構修正過程中，在保證整體穩定性的前提下，著重處理應力集中的支點區域，不能簡單的依靠增加鋼板的厚度減小應力，而應該從構造上消除或減小應力集中現象。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]吳沖.現代鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]BS 5400-3-2000,Code of Practice for design of Steel Bridges[S].