連續鋼箱梁匝道橋設計

譚雙全，胡　奇

（1.重慶市勘測院，重慶市　400020；2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶市 400020）

0　引言

隨著我國國民經濟的發展，城市建設中，鋼結構橋梁的應用日益增多。鋼箱梁橋具有輕便、跨度大、易施工、易運輸、施工周期短等優點[1]。匝道橋梁結構一般采取跨徑不大于20 m的鋼筋混凝土連續梁橋，當采用30 m以上跨徑時，一般采用鋼箱梁結構[2]。連續曲線鋼箱梁跨徑為30～60 m時，一般都能滿足立交橋的總體布置要求，中等跨徑橋梁可選用等高度的箱梁斷面[3]。

1　工程概況

某城市匝道橋梁，如圖1所示，平面位于直線、圓曲線上，圓曲線半徑R=170 m，橋梁縱坡為-2.0%的下坡。上部結構為鋼箱梁，共3跨，為37 m+38 m+37 m。橋面布置為：0.5 m（護欄）＋7.0 m（車行道）+0.5 m（護欄）=8.0 m，橋面橫坡為1.5%的單向橫坡。橋臺為重力式橋臺，橋墩為圓形橋墩。新建P1，P2橋墩，P3橋墩為與現狀匝道橋共用橋墩。

圖1　橋梁平面圖（單位：cm）

2　橋梁設計

2.1　基本參數

（1）橋梁設計基準期：100 a。（2）結構安全等級：一級。

（3）道路等級：城市次干路。

（4）設計車速：30 km/h。

（5）汽車荷載：該橋設計車行道為單向一車道，外加一條應急停車道，荷載標準為城-A級荷載。

（6）二期恒載：橋面鋪裝和防撞護欄。

2.2　鋼箱梁設計

橋梁采用直腹式單箱單室斷面（見圖2），頂板寬為7.8 m，底寬3.8 m，梁高為1.6 m，與現狀橋梁等高。鋼梁頂板厚度為16 mm，底板厚度為20 mm；腹板厚度采用24 mm，加勁肋厚度16 mm。主梁采用Q345D鋼材。由于鋼箱梁自重較輕，為增加橋梁抗傾覆穩定的安全儲備，在鋼箱梁邊支點一定范圍內灌注C25素混凝土壓重。壓重既可以提高鋼箱梁的整體穩定性，還可以提高支承處的局部穩定，防止支承處的局部屈曲[4]。

圖2　鋼箱梁斷面圖（單位：mm）

2.3　支座布置

A0橋臺支座位置附近鋼箱梁橫向加寬，底板寬7 m，兩支座分別為單向活動支座和雙向活動支座，支座中心間距為5.6 m。P3橋墩為已建現狀匝道橋橋墩，箱梁底板寬度同標準橫斷面，兩支座分別為單向活動支座和雙向活動支座，支座中心間距為2.8 m。 P1支座為單向活動支座，P2橋墩采用墩梁固結方式。

3　計算分析

采用Midas軟件建立空間有限元模型，分別分析P2橋墩采用固定支座（見圖3）和墩梁固結（見圖4）時的各支座支反力，計算結果見表1和表2。模型支座模擬時在支座中心的頂、底位置各建一節點，頂節點作為從屬節點與主梁上對應節點剛性連接，頂、底節點之間通過彈性連接來模擬支座，底節點施加固結邊界條件。對于彎橋，還需調整模擬支座的彈性連接的β角，使彈性連接的剛度方向與支座的實際約束方向一致。A0橋臺和P3橋墩采用雙支座。主梁板材采用Q345鋼，強度設計值見表3。

圖3　全支座模型

圖4　P2橋墩墩梁固結模型

表1　全支座模型支反力　kN

表2　P2橋墩墩梁固結模型支反力　kN

表3　鋼材的強度設計值

整體溫度升降溫為30°C，溫度梯度參照英國規范BS5400選取（見圖5），支座沉降按照5 mm考慮。

圖5　溫度梯度模式

3.1　支座計算結果

由表1可知，P2橋墩支座采用固定支座時，在最不利工況下，P3橋墩內側支座將出現負反力。故設計時將P2橋墩設計為墩梁固結型式。由表2可知，在最不利工況下，各支座均不出現負反力。P2橋墩采用鋼管柱形成墩梁固結（見圖6），管內部填充C40微膨脹混凝土。

圖6　P2橋墩墩梁固結處大樣圖

3.2　應力計算結果

基本組合下應力計算結果如下：

如圖7～圖9所示，頂板最大拉應力為102 MPa，最大壓應力為-111 MPa；底板最大拉應力為130 MPa，最大壓應力為-149 MPa，腹板最大剪應力為63 MPa?？紤]結構重要性系數1.1，計算應力值為：頂板最大拉應力為102×1.1=112.2 MPa，最大壓應力為-111×1.1=122.1 MPa；底板最大拉應力為130×1.1=143 MPa，最大壓應力為 -149×1.1=163.9 MPa，腹板最大剪應力為63×1.1=69.3 MPa，均滿足規范要求。

圖7　頂板正應力包絡圖

圖8　底板正應力包絡圖

圖9　腹板剪應力包絡圖

3.3　撓度計算結果

根據文獻[5]4.2.3條、4.2.4條，分析不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值作用下主梁的豎向撓度以及預拱度設置數值。

第一跨：活載作用下撓度最大為-23 mm，結構撓跨比為1/1 609，結構剛度可滿足要求。恒載狀態結構跨中撓度-21 mm，箱梁跨中預拱度設計為35 mm。

第二跨：活載作用下撓度最大為-26 mm，結構撓跨比為1/1 462，結構剛度可滿足要求。恒載狀態結構跨中撓度-17 mm，箱梁跨中預拱度設計為35 mm。

第三跨：活載作用下撓度最大為-26 mm，結構撓跨比為1/1 423，結構剛度滿足要求。恒載狀態結構跨中撓度-27 mm，箱梁跨中預拱度設計為45 mm。

3.4　疲勞計算

根據文獻[5]5.5條計算箱梁的抗疲勞性能：

式中：γFf為疲勞荷載分項系數，取1.0；γMf為疲勞抗力分項系數，對重要構件取1.35，對次要構件取1.15；ks為尺寸效應折減系數；ΔσD為正應力常幅疲勞極限，MPa；Δσp為按疲勞荷載計算模型Ⅰ計算得到的正應力幅，MPa；Δ為放大系數；Δσpmax、Δσpmin為將疲勞荷載模型按最不利情況加載于影響線得出的最大和最小正應力，MPa。

疲勞應力包絡見圖10、圖11，根據公式（1）和（2），計算得到的頂板最大應力幅為24 MPa，底板最大應力幅為 34 MPa，ks×Δσd/γMf=68 MPa，頂、底板疲勞應力滿足要求。

圖10　頂板應力包絡圖

圖11　底板應力包絡圖

3.5　構件計算

根據文獻[5]中相關規定對橋面板、縱向加勁肋、支承加勁肋及橫隔板等構件進行復核驗算，均滿足規范要求。

4　結語

曲線鋼箱梁橋一般曲率半徑小，結構自重較輕，容易發生整體傾覆或支座脫空現象。在設計過程中，可通過增大支座橫向間距、增設混凝土土壓重、設置墩梁固結等方式，改善結構受力，以滿足設計要求。