大跨徑連續(xù)鋼箱梁設計探討

張維(中交第二公路勘察設計研究院)

大跨徑連續(xù)鋼箱梁設計探討

張維
(中交第二公路勘察設計研究院)

摘要:作為工程建設中的常用構造形式，大跨徑連續(xù)鋼箱梁可有效改善高速公路和城市道路工程建設質量。本文以某跨河橋為例對大跨徑連續(xù)箱梁設計進行分析，然后探討了其結構計算及內力調整方法，以期為相關技術與設計人員提供參考。

關鍵詞:大跨徑;連續(xù)鋼箱梁;設計

中圖分類號:U442

文獻標識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0135－01

1　大跨徑連續(xù)箱梁構造設計

1. 1總體布局

跨徑按照63 m + 100 m + 60 m的方式布置，總長度為223 m;梁高變化段長度控制在28 m左右，采用二次拋物線的變化線形;上部結構使用變截面鋼箱梁，中支點梁高度控制在4 m，邊支點梁高控制在3 m。箱梁采用單箱單室直鋼腹板斷面，單箱寬度為6．75 m，兩側均采用3 m的懸臂，橋面整體寬度為12．75 m。

1. 2支點構造分析

支點處的橫梁一方面要依據(jù)構造需求對加勁板進行設計，另一方面要做好局部應力分析。依據(jù)Midas Civil2010板單元模型進行計算分析，結果發(fā)下支座上部橫梁存在嚴重的應力集中問題。為降低支點位置橫梁應力，可在支點周圍設置橫梁，并將橫梁同支座加勁板相連接，使其發(fā)揮協(xié)同作用以降低局部應力集中。依據(jù)統(tǒng)計分析結果發(fā)現(xiàn)，此種構造方式局部應力可降低45%以上。

1. 3連續(xù)箱梁整體分析

采用橋梁博士3．2．0對箱梁進行整體統(tǒng)計計算，結構驗算主要使用Midas Civil2010。橋梁不同單元的長度均在1 m以下，中間支點采用豎向及水平結合約束方式，其余4個支點則采用豎向約束方式。

(1)橋面與橋梁間可采用縱橫雙向和縱向結合方式，采用縱橫雙向結合方式會增大鋼筋使用量，其板厚可通過橫向力進行調整;采用縱向結合方式，混凝土板的橫向受力方便控制，可通過預應力對板厚進行調整。在本橋梁設計中采用縱向結合方式，并配置固定量的橫向預應力束，以滿足縱向受力及橫向受力的需求;

(2)因橋梁采用連續(xù)鋼箱梁結構，需考慮負彎矩影響，負彎矩一般會存在中間墩周圍，其會使上緣混凝土保持受拉狀態(tài)。由于橋梁跨徑較大，使用的結構鋼梁相對較大，所以在設計中橋面鋪裝選擇用鋪裝環(huán)氧瀝青或者安裝鋼纖維混凝土與剪力釘?shù)姆绞絹磉M行處理。本工程選擇以鋪裝環(huán)氧瀝青的方式進行施工，首先應保證混合料的質量，將其溫度控制在180～190℃，瀝青加熱溫度控制在170℃，環(huán)氧樹脂加熱溫度控制在60℃，最終環(huán)氧瀝青混凝土出料溫度應該為165℃左右，這樣可以滿足壓實施工所需溫度，保證碾壓質量滿足施工要求。其次，在攤鋪碾壓時，要求所有機械設備都應該在橋面范圍意外，在鋪裝過程中不允許停機加油。碾壓設備確定為3臺輪胎式壓路機，2臺雙鋼輪壓路機，組合式碾壓，最終將最小壓實度控制在97%以上。最后，還需要做好接縫處理，其中鋪裝層橫、縱施工縫都采用45°斜接縫方式，切縫后應將切除的部分清除，并以鋼刷去除不穩(wěn)定顆粒，保證工作面干凈無雜物。

1. 4主鋼板厚度擬定

鋼箱梁主要由底板、頂板及腹板構成。底板厚度可通過統(tǒng)計計算進行設定，腹板厚度則通過構造方式進行設定，且可利用數(shù)學模型進行修正。

支點附近的頂板厚度通過計算設定，此處主要探討標準段頂板厚度的設定方法。頂板厚度的下限值可由橋面鋪裝方式決定，本橋梁采用鋼橋面，使用瀝青混凝土進行澆筑鋪裝，依據(jù)計算并分析以往鋼橋面實踐經驗，當頂板厚度在14 mm以下時，結構剛度常常不足，橋面鋪裝很容易受到破壞。將不同板厚與U肋厚度進行組合，構建空間有限元板殼模型，對局部荷載條件下的橋面結構受力情況進行分析，且優(yōu)化比較橋面板與加勁肋厚度通用尺度參數(shù)。橋面板與加勁肋優(yōu)化組合參數(shù)如表1所示:

表1　橋面板與加勁肋優(yōu)化組合次序

在上述分析中可發(fā)現(xiàn)，當頂板厚度采用14 mm時，橋面板的剛度過低，應力集中且較大，同時相比U肋厚度，橋面板厚度對橋面結構受力影響更大。因此在綜合分析結構耐久性和剛度等因素基礎上，選用16 mm的橋面板與8 mmU肋進行組合具有更高的合理性。

1. 5鋼梁與加勁結構

本橋梁工程腹板最高可達到4 m，并且厚度比較大，為了保證橋梁結構穩(wěn)定性，除了要設置足夠數(shù)量橫向加勁板同時還需要設置更多的縱向加勁肋。結合工程數(shù)據(jù)，在設置縱向加勁肋時，不同高度腹板對應的縱向加勁肋數(shù)量以及位置不同，再加上主梁順橋向不同位置具有的彎矩、剪力以及局部豎向力等不同，在設計縱向加勁肋位置以及數(shù)量時，應結合腹板厚度、高度以及各局部要求進行計算，保證全橋腹板安全性、經濟性。

鋼橋面板加勁肋截面形式主要包括開口與閉口兩種，與之對應的加勁肋為開口加勁肋與閉口加勁肋，其中開口加勁肋包括L形、平鋼板形以及倒T形，閉口加勁肋包括矩形、梯形以及U形等。通過設置加勁肋能夠提高腹板抗扭勁度與抗彎剛度，減小鋼板應力，加勁肋壁厚與開口形狀的確定，應以橋梁工程實際需求來確定。

2　大跨徑連續(xù)箱梁結構計算及內力調整

2. 1結構計算模型

采用MIDAS通用結構分析軟件對工程整體實施空間有限元計算分析及內力調整。計算時需重點分析底板及頂板加勁肋的影響，因此使用折算為底、頂板厚度的方式同時對應力和剛度實施等效模擬，以確保設計截面與簡化截面具備一致的抗彎模量及抗彎剛度。折算后頂板厚度提高3 mm，底板厚度提高2 mm，此種處理方式可有效促進模型簡化，提高運算效率，可大幅度優(yōu)化施工階段的主梁位移與內力調整和控制試算過程。

2. 2內力及線形調整方式

橋梁在進行施工方案設計及制定時，需考慮在立交上層中央分隔帶附近安置臨時支撐墩;若無法安置則跨中間一定長度的梁段可采用簡支方式進行安裝。為確保橋線形與設計值有效接近，鋼梁應力滿足設計要求，應采用相鄰跨跨中頂升，等到縱向連接構造成橋型后再將臨時墩拆除，類似于通過作用反向力來對線形和內力進行調整。

2. 3施工方案

選擇頂推方式進行施工，此種方式具有機械設備簡易，節(jié)省施工用地等特點，整個操作過程相對簡單。并且此種施工方式，模板可以周轉，不會對已存道路造成影響。施工主要可以分為搭設臨時墩、鋼箱梁拼接、安裝滑動裝置、鋼箱梁頂推到位、落梁等幾個步驟，其中最后一個步驟落梁需要尤其注意，應提前做好各階段管理工作，安排好相應施工人員，并配置相關設備與通訊器材等，在完成技術交底的情況下統(tǒng)一指揮進行施工。整個施工過程中必須要完全按照設計施工方案來進行，并做好施工記錄，以免事故的發(fā)生。

3　結束語

大跨徑連續(xù)箱梁的設計質量將直接關系著立交公路工程或高架工程的整體施工質量及功能使用，因此，相關技術與設計人員應加強有關大跨徑連續(xù)箱梁設計研究，總結連續(xù)箱梁設計構造方式、結構內力計算方法及關鍵部位技術處理措施，以逐步改善大跨徑連續(xù)箱梁設計水平，提高工程整體設計質量。

參考文獻:

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作者簡介:張維(1981－)，男，工程師，研究方向:橋梁工程。

收稿日期:2015－03－23