高架連續組合鋼箱梁結構設計

楊民榮

（上?？泼冷摻Y構有限公司 200235）

引言

在進行高架連續組合鋼箱梁的結構設計過程中，應當考慮到連續組合鋼箱梁結構的通用性能比較理想，因此能夠根據具體運行的情況進行跨徑的布設，同時在對建筑高度尺寸進行分析的前提下，考慮到建筑外部美觀效果的影響，對于高架連續組合鋼箱梁的高度進行合理調整，進而減少鋼材的使用數量，降低工程造價，連續組合鋼箱梁荷載比較輕，因此應當開展偏心調節等有效方式，讓邊墩的兩個支座的受力保持平衡，避免支座裝置發生脫空情況，而且可以對城市中高架橋梁以及焊接工藝的性質進行分析，對疲勞強度計算方式進行修訂補充。

1 項目簡介

2015年7 月～2018年3月，S7公路（S20-主線收費站）新建工程墩號Pne 9～Pne 12（32+43+32m）高架連續組合鋼箱梁進行了結構設計工作。

連續組合鋼箱梁梁寬10m，總長107m，共分3跨，跨度為32m、43m、32m。梁下部設兩根鋼箱梁，梁寬2.6m，高2.25m，兩根鋼箱梁內側腹板間距3.5m，兩根鋼箱梁之間間隔6m設置一道橫梁，橫梁梁高1m。每個墩處設兩個支座，中間設置支座橫梁連接，Pne10墩處由于墩在橫梁外側，故設置外伸橫梁連接支座。鋼梁上部設0.3m厚鋼筋混凝土橋面板，與鋼梁一同參與受力。

根據連續鋼箱梁受力特點，對鋼箱梁的板厚進行了劃分。中支座處受力較大，故在中支座兩側8.5m范圍內設頂板厚40mm、腹板厚20mm、底板厚40mm，外伸橫梁底板厚45mm。邊支座處7.51m范圍內設頂板厚25mm、腹板厚20mm、底板厚25mm。跨中設頂板厚30mm、腹板厚14mm、底板厚30mm。鋼箱梁結構如圖1所示。

鋼箱梁腹板和底板穩定性要求。除間隔6m（在橫梁處）設置橫向隔板外，鋼箱梁腹板間隔1.5m設置豎向加勁肋，距梁頂板底面0.47m處設置一道腹板縱向加勁肋；鋼箱梁底板設置四道縱向加勁肋，間距0.4m。在中支座負彎矩區，鋼箱梁腹板在距梁底板頂面0.47m處設置一道腹板縱向加勁肋；鋼箱梁底板間隔1.5m設置“T”形橫向加勁肋。鋼梁上部鋼筋混凝土橋面板，為了與鋼梁一同參與受力在鋼梁頂板上設置剪力釘，剪力釘間距支座處0.2m、跨中0.3m。在中支座負彎矩區，橋面板頂面增設負彎矩鋼筋。

圖1 鋼箱梁斷面結構示意圖

結構合理布置后，建立空間模型，經軟件計算后，結構的各項指標均滿足規范要求，經過評審，順利完成設計任務。

2 連續組合鋼箱梁結構布置

因為地下部分管道線路以及地上交通條件的局限性，所以連續組合鋼箱梁的跨徑布置并沒有特定的規定，不過鋼箱梁的結構設計中能夠利用頂板以及底板厚度尺寸的變化來對鋼板內部的應力分布進行相應調整，基本上不會給設計工作和施工作業帶來較大的障礙，而對于混凝土結構來說對于合理跨徑的布置有一定要求，因此會在很大程度上提高設計以及施工階段的工作強度，所以考慮到城市范圍內高架線路的一定規格跨徑橋梁區域內部，連續組合鋼箱梁能夠依靠實際條件自由進行調整，其基本特點就是對于跨徑變化的適應效果比較好。

通常來說連續組合鋼箱梁的截面形狀為單箱單室，鋼箱梁的凈高度尺寸為1.8m，其底板一般設置成水平狀態，鋼箱梁兩邊的懸臂結構的長度尺寸都是2m，鋼箱梁的頂部板材利用U型加勁結構，底部板材利用的是船用球扁鋼加勁，而處于鋼箱梁的縱向位置，相隔兩米距離會設置橫向的框架結構橫梁裝置，鋼箱梁的兩次利用上牛腿的性質在對應的蓋梁上部進行支撐作用，并且和空心板材進行連接。

對于高架連續組合鋼箱梁進行科學設計的主要要求之一是有效對鋼箱梁的高度尺寸進行選擇確定，通常在進行鋼箱梁高度尺寸確定的過程中應當對成本因素、剛度因素以及建筑允許高度因素三者進行詳細論證。通常利用成本因素能夠得到組合鋼箱梁的經濟高度尺寸，通過實際分析研究可以知道經濟高度尺寸的數值一般都比較大，和具體設計中的連續組合鋼箱梁可能高度尺寸比較起來，經濟高度尺寸的數值遠遠超過后者的尺寸，而通過剛度因素確定得到的鋼箱梁最小高度數值通常都會和具體設計階段得到的鋼箱梁可能高度比較一致，不過通常在一定程度上提高鋼材使用數量，當鋼箱梁的高度發生變化是，不同設計指標也會相應發生改變，具體情況見表1所示。

表1 梁高變化對設計指標的影響

從表1中能夠得出結論，如果在一定程度上上調連續組合鋼箱梁的高度，則鋼材使用數量的增加幅度不會太大，不過能夠反應應力分布的鋼箱梁截面抗彎模量指標有很大幅度的增加，而活載撓跨比指標則會在很大程度上降低，所以對于城市中中等跨徑的高架連續組合鋼箱梁設計過程中，只要鋼箱梁的高度尺寸設計情況許可，最好在一定程度上調高鋼箱梁的高度尺寸，最終實現降低鋼材用量，提高項目經濟效率的目的。

3 連續組合鋼箱梁結構計算

3.1 連續組合鋼箱梁整體計算

對于連續組合鋼箱梁進行整體結構計算通常必須首先對連續組合鋼箱梁的重要指標比如鋼梁腹板剪應力、鋼箱梁上緣和下緣的應力分布、不同支點的反作用力、鋼箱梁的變形程度以及鋼箱梁的整體內力分布進行計算，尤其是上述重要指標在不同運行階段核定荷載以及交通工具荷載作用下的變化情況進行確定。

對于連續組合鋼箱梁的剪力指標以及整體彎矩指標能夠利用曲梁結構或者完全使用跨徑一致的直梁結構作為計算的圖式進行整體結構的計算，對于連續組合鋼箱梁的曲率半徑比較大的條件下，利用直梁結構進行計算得到的剪力數值和彎矩數值和實際受到的彎矩值和剪力值差別并不大，基本上可以適應規范中的設計規定。

連續組合鋼箱梁以及直梁結構的基本區別就是如何對于扭矩值進行計算，對于曲梁結構來說即便是在恒定荷載影響下也會出現扭矩作用，而在存在兩個支座裝置進行支撐作用的位置，因為出現扭矩影響，會讓兩個支座裝置在恒定荷載的影響下使得兩個支撐出現的反作用力數值不一致，在很多情況甚至差別還會比較大。

因為上述情況，在連續組合鋼箱梁的實際負載時，因為活動載荷有可能會出現負反作用力，而因為內部一個支座裝置的壓力荷載不夠大，有很大可能發生支座裝置脫空的情況，如果想要讓兩個支座裝置的支反力實現平衡，防止在鋼箱梁的運行過程中出現負反作用力，可以利用兩種措施進行處理。

（1）措施是對鋼箱梁單點支撐裝置的橫向偏距進行有效調整，對鋼箱梁單點支撐裝置的橫向偏距進行調整的第二個作用是能夠有效的對曲梁中的扭矩分布進行改變，從而可以讓整個曲梁結構的抗扭情況出現比較有利的變化，同時也可以在一定程度上減少扭轉的剪應力，不過對于曲梁結構的扭矩進行調整以及對兩個支座結構的支反力進行調整在很多情況下無法同時實現，通常都無法在同一時間將兩個指標都調整到理想效果。而在實際鋼箱梁的設計過程中必須依靠項目的具體情況對鋼箱梁結構進行有效分析研究，進而通過設計解決最關鍵的問題。

（2）措施是對兩個支座裝置的布置結構進行合理調節，通過調節讓兩個支座裝置之間的距離變大，進而實現讓恒定荷載的反作用力均化以及減少活動荷載負反力的效果，在本項目的設計過程中，因為設計中利用了鋼制結構，恒定荷載比較小，所以邊墩設施如果在交通工具荷載影響下有很大可能會產生負反力的情況，基于上述情況，最好對支撐的橫向偏距指標開展有效調節，通過調節作業讓邊墩設備的兩個支座支反力數值逐漸變得一致或者達到平衡狀態。

3.2 連續組合鋼箱梁局部計算

一般來說高架連續組合鋼箱梁的橋面結構是包括橋面的鋼制板材、框架橫梁結構以及U型縱向加勁結構等部件共同構成，能夠當做正交類型的異性橋面板結構，高架橋面鋼制板材的縱向應力分布是在鋼箱梁整體受到外界荷載作用情況下的彎曲正應力以及在受到局部橋面荷載的部分應力的組合結果。

在對U型縱向加勁構成的小型縱梁結構局部應力分布進行計算過程中，能夠利用正交異性板法求解，此外還能夠把縱梁結構當做彈性的支撐連續小梁來進行相應計算，使用上述措施比較簡單直接，而且容易操作，完全能夠適應設計規范的需求。

而對于腹板結構的剪應力計算來說：①要考慮受到豎直方向剪力導致的剪應力作用；②還必須累加因為扭矩作用導致的自由扭轉的剪應力以及約束扭轉剪應力的作用，而后面兩種類型的剪應力所占據的比例比較大，不能進行直接省略，應當依靠腹板剪應力的數值大小，對腹板加勁進行調整，避免鋼箱梁局部出現屈服現象，導致結構失去穩定。在進行局部計算過程中，還必須對高架連續組著鋼箱梁兩端的挑臂結構、框架橫梁結構以及單點支撐支座上的橫梁結構開展相應的計算。

3.3 連續組合鋼箱梁的疲勞強度計算

對于公路橋梁結構，尤其是對于城市交通樞紐中的高架橋結構中，通常設計荷載是汽車20級，重型車輛重量達到300kN以上，對于一般車輛來說其重量超過200kN以上，不過在橋梁的具體運行過程中，較大噸位的車輛數量不多，在整個橋梁運行期間通過的車輛中所占的比例不高，大部分通行車輛都是噸位較小的小型汽車，根據對現有資料分析研究可以得出結論，在目前國內城市中高架橋梁運行中超過100KN以上的重型車輛數量僅僅占到通行總車輛數量的1%左右，超過2/3以上的車輛噸位不超過20kN。

在受到較長時間變應力的影響下，連續組合鋼箱梁會出現疲勞性破壞情況，而同時對于焊接結構的鋼箱梁來說，對于結構的疲勞強度指標能夠產生主要影響的因素應當是應力幅的高低，而不是應力比的大小，但是目前國內對于公路鋼制橋梁的規范中對于疲勞計算的規定則是利用應力比作為計算前提的，因此應當進行一定程度的修訂和補充。

4 結論

對于高架連續組合鋼箱梁的結構設計而言，因為不同影響因素的區別，在設計階段應當對整體設計程序加以強調，并且根據實際設計要求進行詳細分析判斷，而在優化設計過程必須通過設計人員采取特定的設計模式作為研究基礎，并且考慮到影響因素的特殊情況，在實踐階段根據施工特點開展設計工作，連續組合鋼箱梁結構在高架中使用較為廣泛，應當在目前常見設計規范要求下進行設計體系的優化，從而達到最終的理想效果。