大跨度變截面鋼箱梁托管橋在新疆某引水工程中的應用

郝永志

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

[關鍵字] 變截面鋼箱梁；托管橋；長距離輸水工程

1 工程概況

某引水工程是為經濟技術開發區提供生產、生活用水的一項長距離調水工程，輸水主管管徑為1.8 m，項目位于新疆昌吉州阜康市境內。管線在樁號71+420處穿越一條沙漠明渠高填方渠道，為保證渠道正常輸水，輸水管道跨該渠道采用托管橋穿越形式。托管橋單跨最大跨徑150 m，總跨徑312 m。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）劃分，工程區范圍內區域地震動峰值加速度為0.10 g，對應的地震基本烈度為Ⅶ度。工程區40 m深度范圍內出露的地層主要為粉土質砂和低液限黏土，局部夾含細粒土砂或高液限黏土層。地基土為不液化土。地基承載力fa0建議值為80～370 kPa，地基承載力較低。

工程區地處歐亞大陸腹地，屬暖溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發強烈。平原區年平均降雨量160～230 mm，多年平均蒸發量1500～2300 mm，年平均氣溫5.5～7℃，極端最高氣溫38.3℃，極端最低氣溫-5.9℃。

2 橋梁總體設計

托管橋結構安全等級為一級，主體結構使用年限100 a，欄桿、支座等附屬結構15 a，鋼結構防腐涂裝年限15 a。抗震設防類別為C 類，抗震措施等級為二級。

托管橋以輸水功能為主，橋面較窄，從節省投資角度出發，采用變截面連續鋼箱梁，其工程量減少較多，經濟性較好。跨徑布置為81+150+81 m，橋梁總長312 m（見圖1），其功能是承載一根內徑為1.8 m 的輸水鋼管安全跨越輸水干渠。橋面寬度6.0 m（見圖2），梁底寬3.5 m，兩側懸臂翼緣板寬1.25 m，整幅修建。橫斷面布置為0.25 m（欄桿）+1.25 m（檢修通道）+3.0 m（供水管區）+1.25 m（檢修通道）+0.25 m（欄桿），橋面不設橫坡。

圖1 312 m托管橋縱斷面圖

圖2 托管橋橫斷面圖

3 荷載取值及計算模型

3.1 計算荷載

結構分析按空間梁單元模擬，欄桿、管道等結構均不考慮參與受力，僅作為外荷載考慮。除結構自重由程序內部自動考慮外，其他結構恒載見表1。

表1 其他結構恒載荷載取值

3.2 計算模型

采用Midas Civil 軟件建模進行計算分析，采用空間梁單元進行結構模擬。鋼箱梁模型及邊界條件見圖3。

圖3 鋼箱梁模型及邊界條件圖

4 鋼構件強度、剛度驗算

4.1 主梁強度驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2019對主梁按受彎構件進行基本組合下強度驗算，受拉翼緣采用考慮剪力滯影響后有效截面，受壓翼緣采用同時考慮剪力滯和局部溫度影響后有效截面。

實腹式拉彎、壓彎構件強度應滿足下式規定：

其中

式中：Nd為軸心力設計值；My、Mz分別為繞y軸和z軸的彎矩設計值；Aeff為有效截面面積，其中，受拉翼緣僅考慮剪力滯影響，受壓翼緣同時考慮剪力滯和均布穩定影響；Wy,eff、Wz,eff分別為有效截面相對于y軸和z軸的截面模量，其中受拉翼緣僅考慮剪力滯影響，受壓翼緣同時考慮剪力滯和局部穩定影響；ey、ez分別為軸力對y軸和z軸的偏心距。

強度驗算截面包括一般位置和支點位置兩種，其中一般位置處，梁頂板、底板、腹板厚度分別為16、18、14 mm；支點位置選取中墩支撐處截面，其頂板、底板、腹板厚度分別為16、25、18 mm。構件強度計算結果見表2。

表2 構件強度計算結果表

通過計算可知，基本組合下主梁強度滿足要求。

4.2 主梁抗剪強度驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2019）對主梁按受彎構件進行基本組合下抗剪強度驗算，主梁剪應力計算結果見圖4。

圖4 主梁剪應力包絡圖

由圖4 可知，基本組合下主梁剪應力最大值為36.8 MPa（標準值），位于跨中截面與中墩截面1/2部位。結果安全系數取1.1，則剪應力設計值為1.1×36.8=40.5 MPa，小于剪應力容許值[τ]=150 MPa，因此主梁抗剪強度滿足要求。

4.3 主梁撓度驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2019）的規定，鋼橋應設置預拱度，預拱度大小應視實際需要而定，宜為結構自重標準值加1/2車道荷載頻遇值產生的撓度值，頻遇值系數為1.0，結果見圖5。

圖5 自重加1/2車道荷載產生的撓度

由圖5可知，主梁在自重加1/2車道荷載作用下產生的撓度為510 mm，因此鋼橋宜設置510 mm 的預拱度。

4.4 結構自振特性驗算

橋跨結構模型采用空間靜力分析模型，采用多重Ritz向量法實施特征值求解。自振模態計算結果見圖6和表3。

圖6 自振模態計算結果圖

表3 成橋狀態動力特征值

邊跨豎向彎曲反對稱豎向彎曲0#墩順橋向彎曲1.156 858 1.195 611 1.1 452 897 0.864 410 0.836 392 0.688 280

通過計算可知，各跨段自振頻率和自振周期滿足規范要求。

4 結論

本文以新疆某長距離調水工程跨徑312 m托管橋為例，介紹了大跨度變截面鋼箱梁橋梁的總體設計思想。通過有限元計算，驗算了托管橋結構設計滿足規范要求。

（1）基本荷載組合下，主梁強度最大值為243 MPa，小于結構強度容許值270 MPa。

（2）剪應力設計值為40.5 MPa，小于剪應力容許值150 MPa，主梁抗剪強度滿足要求。

（3）主梁在自重和1/2 車道荷載作用下產生的撓度為510 mm，因此鋼橋宜設置510 mm的預拱度。

（4）各跨段自振頻率和自振周期滿足規范要求。