大跨度分叉異形連續鋼箱梁設計分析

周旋

近年來隨著我國城市的迅速發展，城市基礎設施建設速度加快，大量的城市高架出現在城市中。這種高架一般以標準化的中小跨徑為主，結構型式以小箱梁、T 梁等為主。在跨越大型交叉口、河道、鐵路等節點時，需采用大跨徑橋梁進行跨越[1]，其中常用的大跨徑連續結構有連續混凝土梁和連續鋼梁兩種。

本文以紹興市二環北路智慧快速路為例，介紹了一座大跨度分叉異形連續鋼箱梁的設計方案，其優點在于運輸、安裝方便，可以較好適應城市立交橋中的各種異形構造，工期短，對周圍環境影響小，目前越來越廣泛地使用在城市高架橋中。

1.工程概況

二環北路智慧快速路是浙江省紹興市快速路網的重要組成部分，沿線經過中心城區，穿越眾多交叉口、河道。工程范圍為西起鏡水路，東至越東路，全長約11.6km，全線采用“高架+地面”的敷設型式，高架包含主線高架和二環北路-越東路互通立交一座。

在二環北路-越東路立交區域，高架橋主線、匝道上跨杭甬運河。杭甬運河為規劃三級航道，根據航道部門要求，橋梁主跨跨徑需大于65m。由于立交整體線位限制，在主跨跨越杭甬運河之后，南側WN 匝道分為WN、WS 兩叉，北側SW 匝道分為SW、NW 兩叉，分叉點距離航道邊線約20m。

由于航道需一跨跨越，中跨跨徑需要達到70m 以上，鋼梁邊中跨比在0.6～0.7 左右為宜，邊跨跨徑需達到40m以上。根據這些限制條件，高架橋的跨徑布置確定為主線跨徑45m+73m+43m，南側WN 匝道跨徑43m+73m+45m，北側SW 匝道跨徑45m+75m+41m。橋梁布置見圖1。

2.結構設計

WN 匝道和SW 匝道跨徑、外形較接近，本節以WN 匝道為例介紹結構設計和計算內容。WNK2、WNK3 兩孔為整體式斷面，結構在WNK4孔內進行分叉，靠近中支點15m 范圍內為整體式斷面，后續結構進行分叉。

2.1 主梁設計

主梁采用43m+73m+45m 變高鋼結構連續箱梁，左邊跨以及右邊跨分叉后采用單箱單室，其余位置采用單箱多室。中支點梁高3.6m，中跨跨中梁高2.2m，邊支點梁高1.6m，梁高按照二次拋物線變化。橋面板為正交異性橋面板，頂板厚16mm～30mm，底板厚16～30m，腹板厚14mm～20mm。頂板、底板和腹板均設置縱向加勁肋。鋼結構為全焊接結構，頂板U 肋連接采用螺栓連接，避免頂板疲勞荷載帶來的焊接裂縫。頂底板設置2%橫坡。典型斷面詳見圖2。

2.2 結構計算

2.2.1 計算荷載

（1） 一期恒載：鋼材容重=78.5kN/m3，計入自重系數1.73 考慮隔板、縱向加勁肋等構件的重量。

圖1 杭甬運河橋梁平面布置圖

圖2 典型斷面構造圖（單位：mm）

（2）二期荷載：鋪裝：鋼筋混凝土8cm，γ=26kN/m3；瀝青混凝土10cm，γ=24kN/m3。防撞護欄：12kN/m 每側。壓重混凝土：γ=25kN/m3。

（3）汽車荷載：城-A 級；沖擊系數：按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）4.3.2 計算取值。

（4）基礎變位：中支座沉降2cm，邊支座沉降1cm。

（5）溫度荷載：均勻溫度：整體升降溫30℃。梯度溫度按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）4.3.12 取值。

（6）風荷載：重現期10 年的設計風速W1 為25m/s，重現期100 年的設計風速W2 為32.5m/s。

2.2.2 截面有效寬度計算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）的要求，需要考慮局部穩定影響對受壓構件截面面積進行折減，同時也需要考慮剪力滯效應造成的頂底板實際應力分布不均勻，對頂底面截面面積進行折減。同時考慮剪力滯和局部穩定影響的受壓翼緣有效寬度計算結果如表1 所示。

從以上計算結果中可以看出，由于加勁肋間距較密，不同頂底板厚度下局部穩定折減系數都是1，所以不需要考慮局部穩定因素帶來的折減。但剪力滯效應帶來的折減較大，特別是支點位置，折減系數為0.8，在跨中位置折減較少，在中跨跨中甚至不需要折減。

2.2.3 截面強度驗算

2.2.3.1 正應力驗算

基本組合下，不考慮結構重要性系數，主梁頂板最大拉應力出現在中支點位置，為131MPa；主梁底板最大壓應力出現在中跨跨中，為168MPa。

以上結果為第一體系下的計算結果，根據文獻資料，鋼箱梁的第二體系應力可按照40Mpa 進行考慮。則頂板應力為206Mpa＜270Mpa；底板應力為246Mpa＜270Mpa。

基本組合下，主梁底板最大拉應力出現在分叉邊跨跨中位置，為226MPa；主梁底板最大壓應力出現在中支點，為181MPa。底板只需要考慮第一體系應力即可，在乘以結構重要性系數之后，頂板應力=249Mpa＜270Mpa；底板應力=199Mpa＜270Mpa。

2.2.3.2 剪應力驗算

主梁腹板由剪力引起的最大剪應力為111MPa，主梁最大扭矩為663KN.m，扭轉剪應力為3MPa。腹板上的最大剪應力為114MPa，滿足規范要求。

2.2.3.3 疲勞驗算

根據規范要求采用疲勞荷載計算模型I 計算疲勞荷載。根據疲勞細節，正應力常幅疲勞極限為80MPa，剪應力幅疲勞截止限位40MPa。

表1 考慮局部穩定影響的截面面積折減計算

上翼緣正應力幅=37.7MPa＜80/1.35=59.3MPa；腹板伸縮縫端剪應力幅=18.46 ＜40/1.35=29.6MPa；腹板中支點處剪應力幅=13MPa＜40/1.35=29.6MPa。

2.2.4 主梁預拱度計算

汽車活載會引起結構撓度，其不計沖擊力的正負撓度絕對值之和為107mm，小于1/500L=142mm，滿足規范要求。

根據規范要求，鋼橋應設置預拱度，以保證橋梁建成后行車平順，線形美觀。預拱度需考慮結構自重、二期恒載及1/2活載共同引起的撓度。分叉的邊跨預拱度（71mm）比整幅的邊跨預拱度（61mm）大，除了分叉的邊跨跨徑略大之外，因為結構分叉造成的整體剛度較小也會造成豎向撓度增加。

3.結語

本文通過介紹一座大跨度連續分叉鋼箱梁的設計方案和計算結果，驗證了這種結構類型的可行性，為同類型橋梁提供借鑒。分叉端的各項驗算均滿足規范要求，分叉端的正應力、撓度等都比非分叉端大，證明了分離式的結構對于受力仍存在一定影響，可以通過增加頂底板厚度等方式增加分叉端結構剛度，改善其受力和變形效果。