大跨連續鋼箱梁設計

蔣定衍

（上海市政設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東 佛山528200）

0 引言

隨著我國鋼材產業逐漸由產能短缺進入產能過剩，鋼結構加工工藝顯著提高，鋼結構更環保和可持續發展、全壽命周期經濟競爭性強、人力資源更節省等優勢逐漸凸顯，鋼結構橋梁在公路橋梁建設中表現出強勁的的競爭性。同時，為貫徹落實《交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，各地也都在積極探索，大力推廣公路鋼結構橋梁的建設。

1 主梁構造

某工程的主梁采用（50+86+50）m變截面鋼箱梁，梁高按2次拋物線變化，截面形式為單箱三室。中支點處梁高3.6 m（高跨比1/23.89），邊支點和跨中位置梁高2.12 m（高跨比1/40.56），箱梁頂寬16.5 m，主梁橫斷面如圖1所示。

圖1 主梁橫斷面圖

2 主要計算參數

（1）一期恒載：鋼材容重 γ=78.5 kN/m3，按照施工圖實際自重考慮。

（2）二期恒載：

鋪裝：瀝青混凝土 100 mm ，γ=24 kN/m3；

防撞護欄：15 kN/m/側。

（3）車輛作用：公路-I級。

（4）支座沉降：不均勻沉降L/3 000。

（5）溫度：體系升溫：+30℃；體系降溫：-30℃。

（6）溫度梯度：正溫差+14℃；負溫差-7℃。

3 荷載組合

橋梁重要性系數：1.1。

（1）標準組合一：恒+活+支座沉降。

（2）標準組合二：恒+活+支座沉降+系統升溫（+30℃）+正溫差（+14℃）。

（3）標準組合三：恒+活+支座沉降+系統降溫（-30℃）+負溫差（-7℃）。

（4）基本組合一：1.2恒+1.4活+支座沉降。

（5）基本組合二：1.2恒+1.4活+支座沉降+1.05系統升（降）溫+1.05溫度梯度正（負）溫差。

4 平面靜力計算

以Midas Civil建立了結構的平面桿系模型，對結構在自重、二期恒載、活載、支座不均勻沉降，以及溫度力等荷載工況下進行平面靜力分析，按照最不利組合進行驗算（見圖2）。

圖2 鋼箱梁計算模型

4.1 承載能力極限狀態分析

結構按公路橋規JTG D60-2015第4.1.5條承載能力極限狀態效應組合進行承載力驗算，主梁的承載力和內力包絡見圖3、圖4所示。

圖3 正截面抗彎承載能力包絡圖

圖4 正截面抗剪承載能力包絡圖

4.2 正常使用極限狀態分析

按《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015），連續鋼箱梁有效分布寬度可按下式計算：

中間支點斷面：

式中：b為主梁腹板間距的一半或懸臂板的寬度；l為換算跨徑。

計算結果如表1所列。

表1 截面有效分布寬度系數表

考慮剪力滯后箱梁上下翼緣應力如表2~表4所列。

5 結構活載撓度計算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）中4.2.3條，計算豎向撓度時，應按結構力學的方法并應采用不接沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇系數為1.0，由此計算的結構擾度如圖7、圖8所示，86 m跨中上撓33 mm+下撓88 mm=121 mm。

表2 標準組合二上下翼緣應力一覽表 MPa

表3 標準組合三上下翼緣應力 MPa

表4 基本組合一～四上下翼緣應力一覽表 MPa

圖7 活載MAX撓度包絡圖

圖8 活載MIN撓度包絡圖

6 結構抗疲勞驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）中5.5.2條，采用疲勞荷載計算模型Ⅰ，取用等效的車道荷載，集中荷載0.7Pk，均布荷載0.3qk，四車道布載。計算結果見表5所列。

表5 結構各部位應力幅一覽表 MPa

采用疲勞荷載計算模型得到的各部位應力幅滿足下列公式：

（1）上翼緣母材正應力幅：

（2）下翼緣母材正應力幅：

（3）母材剪應力幅：

7 結語

通過以上計算分析，可得出如下結論：

（1）結構在最不利組合中，最大拉應力224.2 MPa，最大壓應力-232.3 MPa，應力滿足規范要求。

（2）梁端腹板剪切應力106.1MPa，小于155MPa,剪應力滿足規范要求。

（3）活載作用下，結構中跨86 m跨中最大的撓度為 121 mm＜86 000/500=172（mm），剛度滿足規范要求。

（4）結構抗疲勞驗算滿足規范要求。