鋼結構橋梁配重設計研究

宋 佳

(合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

為順應城市交通發展，近年來城市高架橋、大型互通立交橋應運而生。受建設用地、管線設施及現狀建筑等諸多因素限制，立交線形選擇余地較小，常常會使用小曲線半徑的線形，導致平面異形結構及曲線橋大量出現。鋼結構橋梁尤其是鋼箱梁橋具有自重輕、跨越能力大、抗彎抗扭剛度強等優點，且可采用工廠化制作、施工進度快、對現場交通影響小，是各種曲線橋、異形結構的最佳選擇。但因其受彎扭耦合作用造成扭矩較大，同時自重較輕易出現支座脫空甚至傾覆現象，一般通過在鋼箱梁中橋墩附近設置配重，以增大支座正反力儲備的方法加以控制[1]。

1 常用的配重材料

目前，常用的鋼箱梁橋配重材料有普通混凝土、鐵砂、鐵砂混凝土等。下面對這三種材料進行對比分析。

1.1 普通混凝土

普通混凝土即采用普通硅酸鹽水泥、水和砂石作為骨料配制的混凝土。其性能與結構用混凝土相同，容重在24～26 kN/m3。對于普通混凝土來說，原材料的密度已經比較熟悉，且變化不大，配合比設計也很成熟。造價低，施工方便，可泵送、可吊裝。但是對于作為配重使用來說，普通混凝土容重偏小，一般在配重體量較小情況下使用。

1.2 鐵砂

鐵砂作為配重材料在一段時間廣泛使用，通過工程實踐，鐵砂配重存在以下缺陷：

(1)由鐵砂堆積配重孔隙率較大，且無法填充密實，造成同體積同質量的鐵砂堆積密度達不到實際要求。例如高密度配重鐵砂，其表觀密度在68～72 kN/m3，堆重在48～52 kN/m3。

(2)鐵砂耐久性差，孔隙率較大導致與空氣接觸面大，易于氧化，受潮后易于生銹結塊，長久以后配重效果減弱，恐對橋梁結構帶來隱患。

(3)不便于施工，無法泵送，只能吊裝或者自卸，導致堆積密度不均勻，夯實、振搗操作難度較大，施工慢，工期長。

(4)不易于檢測，無法檢測實際的配重效果。

1.3 鐵砂混凝土

鐵砂混凝土為重混凝土的一種，是近年來新興的特種材料，文獻[2,3]中對重混凝土的配合比、施工質量控制均有論述。其具有以下特點：

(1)鐵砂混凝土是通過鐵砂層層級配，攪拌均勻，降低孔隙率，混凝土的容重最高可達60 kN/m2。

(2)耐久性較好，不會氧化生銹。與空氣直接接觸的表面積少，更加均勻穩定。

(3)施工較為便捷，混凝土和易性好，且有流動性，對于異形結構的配重更能滿足配重的密實度和均勻性。中高容重的鐵砂混凝土可以泵送或者自卸，施工快，節省工期。

(4)便于檢測，現場可隨機抽檢試塊稱重。

(5)造價方面比鐵砂節省約20%。

通過分析比較，鐵砂混凝土是鋼箱梁橋配重材料的優先選擇。

2 鋼箱梁橋配重方式

本文通過一工程實例，探討鋼箱梁橋合理的配重方式。

2.1 工程概況

某城市互通立交橋采用三跨鋼箱梁橋，跨徑組合為3×30 m，橋梁平面位于半徑90 m的圓曲線上，超高橫坡2%，梁高1.8 m。為消除支座負反力及保證橋梁抗傾覆穩定，設計采用鋼箱梁配重的方式來提高支座正反力儲備。配重材料采用鐵砂混凝土，容重40 kN/ m3。

2.2 有限元建模及計算

采用有限元軟件MIDAS Civil 2017建立空間分析模型(圖1)。主梁采用單梁進行模擬，全橋共分58個節點，51個單元。橋墩均采用雙支座。

圖1 有限元模型

其在恒載作用下的支反力如圖2所示，在標準組合下的最大反力、最小反力分別如圖3、圖4所示。

圖2 恒載作用下支反力

圖3 標準組合下最大反力

圖4 標準組合下最小反力

圖2～圖4表明：恒載作用下支反力及標準組合下最大反力，中支點處內外側相當，邊支點處外側反力明顯大于內側；標準組合下最小反力中，支點外側支座有足夠安全儲備，內側支座出現負反力；邊支點外側支座反力儲備不足，內側支座出現負反力。

2.3 配重設計

鋼箱梁配重主要從增加支反力儲備和控制同一橋墩雙支座反力不過于懸殊兩方面進行設計。從橫斷面配重方式來說，有全斷面配重、半斷面配重和兩半斷面不等高配重,如圖5～圖7所示,根據具體支反力特征選擇合適的配重方式。

圖5 全斷面配重

圖6 半斷面配重

圖7 兩半斷面不等高配重

根據2.2節計算結果，中支點處外側支反力儲備充足，可僅在中支點內側半斷面配重。邊支點處內側負反力較大，可采用內側半斷面全高配重；為提高外側支反力安全儲備，可在外側半斷面配重一定的高度。

從配重效果考慮，以靠近支點處的橫梁內配重為宜。通過試算，本橋端支點的配重長度為3.45 m，中支點的配重長度為2.4 m，如圖8所示。

圖8 配重立面圖

配重后的在恒載作用下及標準組合下的反力情況如圖9～圖11所示。

圖9 配重后恒載作用下支反力

圖10 配重后標準組合下最大反力

圖11 配重后標準組合下最小反力

圖9～圖11表明：按設計方案進行配重后，中支點、邊支點處內外側反力相差不大，且最小反力具有一定安全儲備，滿足設計要求。

3 結 論

鐵砂混凝土因其質量穩定、耐久性好，廣泛應用于鋼結構橋梁配重領域。配重施工時應加強施工控制：

(1) 配重混凝土澆筑時應兩端對稱澆筑，嚴格控制分層澆筑高度，防止混凝土離析和骨料沉降。

(2) 由于鐵砂混凝土容重大，對鋼箱梁縱橫向加勁肋板側壓力大，施工前應對肋板承受的側壓力、抗彎和撓度進行驗算，以確定澆筑速度和分層厚度[1]。

(3) 為防止灌注混凝土時漏漿，需將每一段混凝土灌注段縱向兩端的橫隔板上的進人洞和頂底板縱肋通過孔用封堵板進行封堵。

(4) 頂板混凝土灌注孔的大小、數量和位置由施工單位自行確定。但應盡量減小對頂板的削弱，且灌注完成后須等強封補，壓重混凝土必須在臨時支架拆除前灌注。