非通航孔橋鋼連續梁設計及經濟指標分析

馬鋒　王鳳琳　王曉琴

摘 要：鋼結構主梁因其承載力高，自重小等特點，在我國的應用已經非常普遍，因此對鋼結構主梁的技術及經濟效果分析具有很大意義。從應用最廣泛的全封閉鋼箱和大懸臂鋼箱主梁出發，通過對比國內國外現有橋梁數據，在此基礎上進行調整優化，得出的結論可以作為施工及橋梁設計的參考。

關鍵詞：橋梁 技術指標 經濟指標

鋼結構主梁在施工速度和造價方面的優勢已經成為業內共識，但在此基礎上如何提高其技術與經濟效果還值得探討，國內國外較多采用的兩種主梁形式分別為鋼箱梁全封閉鋼箱和大懸臂鋼箱。

一般情況下，非通航孔橋鋼結構主梁需綜合考慮下部結構地震響應、梁端伸縮位移量、伸縮縫及支座選型等影響，以國內某非通航孔橋為例。聯長控制在700m左右，確定標準聯采用6x110m=660m，邊跨支座離墩中心線0.9m，兩聯之間留0.8m間隙。其斷面設計可采用圖1，圖2兩種結構形式。

主梁鋼箱梁全封閉鋼箱和大懸臂鋼箱比較

全封閉鋼箱梁外形簡潔、流暢，外露面積小，后期養護涂裝外表面積小；由于封閉鋼箱橫向不設懸臂，橋面板全由腹板及橫隔板支承，橋面剛度相對較大；由于底板寬度相對大、腹板數量多，底板的板厚相對小；但是封閉鋼箱用鋼量相對較大，初期建設投資較多。

大懸臂鋼箱底板寬度相對窄，底板及其加勁肋的面積較小，用鋼量相對較省；外露面積相對較大，后期養護涂裝外表面積較大；大懸臂上的橋面剛度相對封閉鋼箱要差；底板寬度相對小，板厚相對較大。

主梁斷面優化

優化頂板加勁肋布置，靠近腹板的加勁肋均采用U形肋；優化邊腹板與頂板的夾角，改善邊腹板與頂板的施焊條件；優化邊腹板與頂板的焊縫形式；優化底板加勁肋形式，將底板的加勁肋由板肋改為U形肋，使加勁肋在達到相同剛度條件下節省用鋼量；對頂板U形肋的高度進行了優化，優化后的U形肋高280mm。優化后橋面系的剛度滿足要求。

主梁橫隔板及橫肋優化

優化中間橫隔板（橫肋）形式，在保證中間橫隔板（橫肋）間距不變的前提下，將間隔10m的實腹式橫隔板改為桁架式空腹橫隔板，其余中間橫隔板均采用相同形式，優化后的中間橫隔板既增加了剛度，又使箱室內空間更通透，改善了箱室內的維修養護條件。

主梁分段及工地接縫點位置優化

主梁節段劃分應在板材的規格、設備的起吊能力及運輸能力等條件許可的前提下，盡量劃分長節段，以減少節段數，減少接頭工作量。經優化，一聯標準6x110m主梁共劃分為47節段，比施工圖設計招標圖所劃分的節段少59節段，節段焊縫減少了55.7%。主梁節段長6.8～15.5m，標準節段長15m。

梁段間接頭的優化。將箱梁節段工廠接縫的加勁肋接頭由拼接優化成工廠焊接，使箱梁整體性更強，加勁肋剛度連續性更好，后期養護工作量更少。

主梁大節段間工地接縫位置選擇在反彎點附近，并根據主梁底板及腹板的配置情況進行綜合優化，將接縫選在距離中間支點14.4m處。該處底板最薄，腹板較薄，現場焊接工作量相對較小，可有效地縮短現場連接時間。

主梁節段間連接構造方案優化

由于連續鋼箱梁范圍比較長，鋼箱梁節段制造及大節段組裝控制連續鋼箱梁的工期，現場大節段縫的連接不控制工期，從鋼箱梁的密封方便及后期養護的角度考慮，對箱梁外側腹板工地高強度螺栓連接構造進行了優化，采用現場焊接，焊縫要求與質量控制同底板現場連接焊縫。除頂板加勁肋的現場連接采用高強度螺栓連接外，其余加勁肋均采用現場嵌補段焊接的形式連接。頂板及底板仍采用現場對接焊連接。

推薦方案主梁結構設計

主梁采用整體等高度鋼箱梁，梁高4.5m，橫截面為帶挑臂的單箱雙室，兩側分別懸臂5.5m。鋼箱梁頂面設2.5%雙向對稱橫坡，箱梁頂面全寬33.1m。

主梁頂板板厚主要采用18mm，支點附近局部向外加厚至20mm，頂板用高280mm、板厚8mm的U形肋加勁，U形肋中心間距600mm，U形肋為梯形，上口寬300mm，兩側的腰采用1：5的斜率，腰與底面交角的壓制半徑40mm。

主梁底板厚度根據受力進行設計，板厚在14～40mm范圍內變化，中支點附近為40mm，跨中為24mm，四分之一跨附近為14mm，底板用高280mm、板厚8mm的U形肋加勁，U形肋中心間距800mm，U形肋為梯形，上口寬400mm，兩側的腰采用1：5的斜率，腰與底面交角的壓制半徑40mm。

主梁共設三道縱向腹板，中間縱腹板為直腹板，為改善邊腹板與頂板的夾角，兩邊縱腹板設計成帶折角的形式，與頂板相連的上段豎直，豎直段高1.5m，下段為斜腹板。腹板厚度根據主梁受剪力的大小進行配置，厚度為14～24mm，支點為24mm，跨中為14mm。

主梁間隔2.5m設一道橫隔板，支點橫隔板采用實腹隔板，其他橫隔板采用桁架式。中間支點橫隔板厚32mm，邊支點橫隔板厚20mm，支點橫隔板上除設置支承和起頂加勁肋外，還根據計算設置水平和豎向加勁肋，加勁肋均用板式肋。中間橫隔板由倒“T”形的肋式結構組合桁架構成，“T”形肋高800～900mm，桁架桿件由2片L125x12mm的角鋼構成。支點處橫斷面圖見下圖。

1、110m非通航孔用鋼量分析

110m非通航孔上部結構聯數多，為便于分析，以6x110m單聯的用鋼量進行分析，將主梁各組成部分的用量以表格形式列出，并計算各部分占有的百分比。單聯工程量分析如下表：

2、110m用鋼量與國內外類似結構的比較

丹麥法羅大橋北橋全長1596m，由20跨80m長的鋼箱梁組成，為四車道高速公路橋梁，橋寬22.4m，每側帶有懸臂托架支撐的人行道，每個行車方向護欄間的凈距為9m。采用80m整跨節段吊裝，單孔吊重600t，單孔折合橋面用鋼量335kg/m2。

中國南通市九圩港大橋長180m，采用（50+80+50）m變高度連續鋼箱梁，中跨66.2m大節段吊裝。單幅橋寬18.3m，布置3車道+3.5m非機動車道+1.8m的外側人行道。主梁采用單箱雙室帶挑臂斷面，頂板厚16mm，橫隔板間距2.5m，活載為公路Ⅰ級，折合橋面每平方米用鋼量457kg/m2。

本橋用鋼量512kg/m2由于跨度稍大，采用的等高度鋼箱梁，且頂板厚18mm，因此折合橋面每平方米用鋼量指標稍高。

通過以上分析可以看出，經過改進后的設計在單位用鋼量和受力性能及后期維護性上都有一定的改善，對今后同類型鋼結構主梁的設計有一定的參考意義。

項目資金資助：湖北省教育廳科研（2013230）

（作者單位：武漢科技大學）endprint