簡支鋼箱渡槽結構設計研究

余 浪, 羅 艷, 易大偉

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610014； 2. 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 四川成都 610059)

我國地域遼闊，水資源分布不均，為了調節水資源，把遠處的水引到水量不足的城鎮、農村以供飲用和灌溉，渡槽應運而生。長期以來，由于跨度不大的原因，渡槽形式多采用梁和拱的形式，或從公路橋上通過。渡槽材質也主要采用砌石、混凝土、鋼筋或預應力混凝土等材料建成[1-4]，極少采用有鋼結構材質。由于跨越高速公路等種種原因，大跨渡槽越來越多，許多橋梁結構如桁架、斜拉或懸索也開始用于渡槽。簡支鋼箱渡槽作為大跨的一種，其結構構造值得研究，摸索出簡支鋼箱渡槽合適的結構形式和設計方法。

1 設計的主要要點

1.1 最大跨度和高跨比

簡支鋼箱渡槽高度寬度一般不超過3 m，其尺寸與簡支鋼箱人行天橋類似，鋼箱渡槽可參考設計。根據文獻[5]，簡支鋼箱人行天橋最大已做到64 m跨度，梁高2.5 m，高跨比1/25.6。大跨度簡支鋼箱人行橋控制設計的主要問題是人橋共振問題，而渡槽相比水的振動問題不突出，雖無橋面系等二期恒載，但承受的活載(滿水)卻是人行天橋承受活載(滿人)的3～4倍左右，控制設計的主要是剛度問題。綜上，適當增加鋼板板厚，考慮其滿水活載，鋼箱渡槽最大跨度應能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。

1.2 斷面比選

簡支鋼箱渡槽斷面應根據引橋混凝土渡槽截面形式確定。以U形斷面為例，維持渡槽內表面不變，鋼箱腹板和底板做成U形，加上縱向拉通的頂板，做成封閉的鋼箱結構，斷面形式圖1。

1.3 結構構造細節

鋼箱渡槽的結構構造細節可參考鋼箱人行天橋及JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》(以下簡稱《公路鋼橋規范》[6])設置。為了美觀，人行天橋或公路橋橫隔板和加勁肋等構造均設置在箱內。而渡槽為了保證其過水能力，箱內

(a) 混凝土斷面

(b) 鋼箱斷面

水流過時不能受到阻礙，故設計水位以下的鋼箱內部不能設置橫隔板和加勁肋等結構構造，最終設計水位以上的構造維持設置在箱內不變，設計水位以下的構造按設置在箱外考慮。為了保證鋼箱渡槽的美觀性，外設的加勁肋等構造外包封板。

鋼箱中橫隔板的主要作用是在偏心作用以及行人或車輪作用下，防止箱梁斷面發生畸變和橫向彎曲變形。水在渡槽鋼箱內均勻流過，基本無偏心荷載，更無車輪作用，理論上可不設橫隔板。但穩妥起見，還是應設置橫隔板，間距不大于6 m，位置在箱內，做成設計水位以下鏤空、設計水位以上實腹的構造，以保證水流過時不受阻擋。

豎向加勁肋為條形肋，頂板設置在鋼箱內，底板設置在鋼箱外，頂板條形肋間距不大于翼板的40倍，底板板條形肋間距不大于翼板的80倍，條形肋應采用剛性加勁肋，加勁肋的剛度可按照下列公式計算：

I≥bδ3γ

式中：b為頂板的寬度；δ為頂板的厚度；γ為剛度比，具體算法見TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[7]第5.3.4條。

腹板豎向加勁肋的間距一般不得大于腹板高度的1.5倍，加勁肋的剛度可按照下列公式計算：

It≥3hwtw3

式中：hw為腹板的高度；tw為腹板的厚度。

腹板水平加勁肋可按照《公路鋼橋規范》第5.3.3條計算，一般來說，只要保證腹板的高度小于厚度的140倍即可不設置水平加勁肋。

1.4 防腐的考慮

考慮到渡槽鋼箱內過水，其防腐體系可參考SL 105-2007《水工金屬結構防腐蝕規范》[8]中防腐體系執行。

為了避免鋼材與水直接接觸，在設計水位以下鋼箱內表面設置一層6 cm厚的防水混凝土，防水混凝土與鋼箱采用剪力釘結合。

1.5 梁端構造

為了保證水順利通過渡槽，梁端一般采用橡膠止水帶封閉，混凝土渡槽梁端的橡膠止水帶預埋入混凝土中，采用螺栓固定。鋼箱渡槽梁端采用鋼混組合結構，止水帶可按常規設置不變，大大減小渡槽梁端的施工難度，節省造價。

1.6 預拱度的設置

鋼箱渡槽剛度較弱，應設置預拱度，設置過小或過大會影響渡槽的過水性能。一般橋的預拱度原則為恒載+1/2活載反向設置，渡槽若按照此設置，當水流較小時，鋼渡槽跨中會有上拱，這會影響鋼渡槽的水流通過。故鋼箱渡槽的預拱度應按照恒載反向設置，當水流較小時，槽底基本為原設計坡度；當水流較大時，鋼渡槽跨中會有一個下凹，但此時水流面離槽底有一定距離，水流面同樣基本為原設計坡度，不會影響渡槽的過水性能。

2 渡槽設計

2.1 方案比選

金堂縣東風水庫擴建工程蘭家壩渡槽主橋跨越成德南高速公路，原設計在高速公路中央綠化帶中設墩，采用2孔16 m鋼筋混凝土渡槽。

根據四川省交通廳有關文件要求：(1)高速公路中央綠化帶中不允許設永久墩；(2)渡槽施工及運營期中槽下凈高應大于5.5 m；(3)需預留高速公路從4車道擴寬到6車道的條件；(4)施工期間不允許斷道。

設計對方案進行了優化，并提出三個方案，優缺點分析見表1。

混凝土拱或斜拉懸索渡槽方案投資最高，設計施工難度最大，首先予以放棄，重點比較預應力混凝土渡槽和鋼箱渡槽。混凝土單價雖便宜，但引橋增加混凝土量，投資增加，全橋造價與鋼箱渡槽相比相差不大，現澆方案施工對高速公路的影響較大，結合交通廳方面意見，最終采用一孔簡支U形鋼箱渡槽，設計跨徑為38.6 m。

2.2 結構設計

鋼箱渡槽全長39.54 m，為簡支等截面鋼箱梁結構，采用U形鋼箱截面，頂板為直板，腹板、底板為一整體U形曲線板，梁高縱向為2.45 m，梁端加高為邊腹板處為2.79 m。鋼箱梁頂板厚16 mm，底板和腹板厚32 mm。頂、底和腹板沿縱向設置條形加勁肋，加勁肋高90 mm、厚12 mm，間距頂板按400 mm、腹底板按450 mm布置。頂板設在箱內，底板設在箱外。鋼箱梁內沿縱向每隔3 m設置一道橫隔板，為保證鋼箱梁的過水能力，橫隔板采用鏤空式橫隔板，只在設計水位以上設置，厚度12 mm。腹板箱外每隔1 m設一道豎向加勁肋，肋高180 mm、厚12 mm。為了保證美觀性，加勁肋外設縱向拉通的6 mm厚封板。為了避免水與鋼直接接觸，U形鋼箱內設計水位以下布置一層6 cm厚的防水混凝土，鋼與混凝土之間采用剪力焊釘連接，焊釘規格10 mm×40 mm。

表1 方案優缺點分析

為了滿足橡膠止水帶構造要求，梁端采用鋼混凝土結構，梁端47 cm范圍填充C30混凝土，混凝土設置在外包矩形鋼板和內貼U形板之間，U形板距離梁端17 cm留出混凝土面來設置橡膠止水帶。混凝土弧形內表面和矩形外表面采用φ12 mm鋼筋網片，間距15 cm，內外網片連接采用梅花形拉筋，間距40 cm×40 cm。

鋼箱梁分成三段工廠制造，三段縱向長度分別為12.77 m、14 m、12.77 m。運至橋位高速公路旁滿堂支架焊接成一體，整體吊裝到位。鋼箱梁需設置預拱，跨中上拱值21 mm，其它部位按照拋物線設置。

結構設計立面平面見圖2，斷面見圖3。

2.3 渡槽防腐

渡槽為U形鋼箱，全焊結構。依據大氣腐蝕環境、局部腐蝕因素以及鋼結構各部位的工作和維修條件，涂裝設計的基本要求是防腐蝕涂層的周期性維修主要針對面涂和中涂，也即最大限度保證其底涂層的可靠及完整性，涂層應確保在帶棱角構件處良好的遮蓋效果和結合力，同時具有良好的復涂性，具體見表2、表3。

工地焊接接頭區域作涂裝防護要求不低于主體結構。鋼箱板材預處理：≥Sa 2.5級。所有鋼板出廠車間底漆：無機硅酸鋅一道，干膜厚度25 μm，需保證鋼板全表面覆蓋漆膜。構件二次處理：鋼梁及其他外表面≥Sa 3級，Rz=40～100 μm。對于分段對接處和噴射或拋丸不到的位置，采用動力工具機械打磨除銹，除銹等級為St3。

圖2 渡槽立面平面(單位: mm)

(a)標準斷面

(b)梁端斷面

鋼箱梁內表面防腐為關鍵工序，過水后要求第一年應每季度、之后每年檢查一次，如發現內表面涂裝剝落或腐蝕嚴重，應重新涂裝。

表2 鋼箱外表面

注①：環氧富鋅底漆中不揮發成份中的金屬鋅含量≥80%

表3 鋼箱內表面

3 渡槽計算

3.1 設計荷載

結構恒載：鋼梁重量按實際尺寸計入，混凝土容重26.5 kN/m3，鋼材容重78.5 kN/m3。

流水荷載：設計水深42 kN/m，滿槽水深60 kN/m。

荷載組合：恒載+滿槽水深。

3.2 計算方法

3.2.1 強度撓度計算

強度及撓度計算公式如下：

M=(q1+q2)×L2/8

V=(q1+q2)×L/2

σ=M/W≤[σ]

τ=V/(hw×∑tw) ≤[τ]

ω=5×(q1+q2)×L4/384≤L/500

式中：q1為自重(MN/m)；q2為水重(MN/m)；L為跨度( m)；M為跨中最大彎矩(kN·m)；V為梁端最大剪力(kN)；W為抗彎截面系數(m3)；σ為最大彎曲應力(MPa)；τ為最大彎曲應力(MPa)；hw為腹板高度(m)；tw為腹板厚度(m)；ω為最大撓度(m)；[σ]為容許彎曲應力(MPa)，參照《公路鋼橋規范》第3.2.1條；[τ]為容許剪應力(MPa)，參照《公路鋼橋規范》第3.2.1條。

3.2.2 穩定計算

整體穩定性參考《公路鋼橋規范》第5.3.2條，截面尺寸h/b≤6，且L/b≤65時，可不計算梁的整體穩定性。式中：h為梁高，b為梁寬，L為梁跨。由于鋼渡槽高寬比及跨寬比較小，上述很容易滿足，故整體穩定性不控制設計。

加勁肋等構造細節按照上述第1.3條設置則可滿足局部穩定性。

3.2.3 疲勞計算

鋼箱渡槽剛度控制設計，導致強度應力水平不高，滿水引起的疲勞應力不大，一般不控制設計。

3.2.4 抗震性能

鋼結構重量輕，有優越的抗震性能，抗震不控制設計，但需做好抗震措施，若處于高地震區，梁端應設置防落梁措施。

3.2.5 抗風性能

風荷載引起的是梁的面外彎矩，可按公路橋涵通用規范[9]第4.3.7條取值，按勻布荷載計算面外彎矩，公式參考強度計算公式。一般來說，除非處于強臺風區，風荷載不會控制設計。

3.2.6 溫度荷載

溫度荷載可按JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》[9]第4.3.10條取值。對于簡支梁，整體升降溫度只會引起位移變化，應力無變化，而不均勻溫度引起的應力變化較小，不會控制設計。

綜上所述，鋼渡槽主要進行強度和撓度計算，鑒于水利部門習慣用公式計算，可編制EXCEL程序計算。穩定、疲勞、抗震、抗風及溫度不控制設計，一般不需計算，若需要則可采用有限元程序進行計算。

4 結論

從最大跨度、高跨比、斷面比選、結構構造細節、防腐、梁端構造及預拱度等方面對簡支鋼箱渡槽的設計進行了研究，介紹了工程實例和結構設計，為鋼箱渡槽的設計提供參考。

鋼箱渡槽最大跨度應能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。斷面應根據引橋混凝土渡槽截面形式確定，并做成封閉鋼箱。結構構造細節可參考鋼箱人行天橋及《公路鋼橋規范》設置。考慮到渡槽鋼箱內過水，其防腐體系有條件值得專門研究，若無研究成果可參考SL 105-2007《水工金屬結構防腐蝕規范》中防腐體系執行。梁端采用鋼混組合結構，止水帶可按常規設置不變，大大減小渡槽梁端的施工難度，節省造價。鋼箱渡槽剛度較弱，應設置預拱度，設置過小或過大會影響渡槽的過水性能，預拱度應按照恒載反向設置。

鋼箱渡槽主要進行強度和撓度控制性計算，鑒于水利部門習慣用公式計算，可編制EXCEL程序計算。穩定、疲勞、抗震、抗風及溫度不控制設計，一般不需計算，若需要則可采用有限元程序進行計算。