鋼結構橋梁理論及設計創新綜述

張立明，包孔波，陳 優

（中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

0 引言

鋼橋是由鋼材通過鉚接、焊接、栓接等手段拼裝而成，而鋼材本身是一種抗拉、抗壓和抗剪強度均較高的均質材料。由于鋼材的強度高，所以鋼橋具有較大的跨越能力。

目前鋼橋的設計理論已經日臻成熟，計算模型與實際構造的吻合是每個設計者都要確保的，筆者參加了一些倒塌橋梁的審查，發現有些設計者的圖紙及設計理論與實際成橋的受力狀態并不一致，會導致構件發生破壞。

本文在總結筆者設計的幾座鋼橋的基礎上，提出了理論結合構造處理的新型設計理念，力求使得結構受力更加明確。同時針對鋼橋橋面的疲勞破壞提出了一些解決辦法，為后續的鋼梁設計提供一些借鑒。

1 景觀鋼橋的設計

蘇州人民路景觀橋長22 m，上部結構為鋼箱梁，中墩通過四根型鋼和一根樁基相連，結構比較纖細，造型美觀。其現狀照片如圖1所示，橋梁上節點照片如圖2所示。

1.1 橋梁介紹

圖1 橋梁現狀照片

圖2 橋梁上節點照片

鋼箱主梁采用正交異性橋面板全焊鋼箱梁，材料采用Q345C。該橋通過四個斜向支撐將主梁固定，長的斜撐長度為4.9 m，短斜撐為2.8 m左右，其采用H型鋼，并焊接加勁隔板。鋼箱主梁采用正交異性橋面板全焊鋼箱梁，其有限元計算模型如圖3所示。

1.2 橋梁的設計創新

該橋的設計創新主要有兩點。

圖3 橋梁有限元模型

1.2.1 施工過程用栓焊轉換做到結構內力最小

結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對結構的節點應盡量減少桿件偏心和內力，這些都是設計者處理構造細部時需要考慮到的；同時可通過特殊設計滿足節點恒載零彎矩的產生。該橋設計時中墩支撐采用栓焊結合的方式，吊裝就位后將螺栓鉚緊，釋放自重下產生的彎矩，然后將節點焊接就位。這樣支撐節點在恒載作用下無任何彎矩，支撐桿件屬軸心受壓構件，這樣實際結構模型與理論模型就完全一致。

1.2.2 抗扭抗拉支座的設計

當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在順橋向移動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

該橋的邊界處理就綜合考慮了梁端的抗扭及抗拉，橋臺處采用角鋼焊接制作的滑軌，使得主梁能順橋向滑動，上下不能移動，起到抗拉支座的作用。

2 小半徑彎鋼箱梁橋的設計

蘇州中環跨北環西延跨線橋（蘇州中環太湖大道立交），該橋為5層立交，筆者設計了其中的所有匝道鋼橋。該橋最小彎曲半徑為100 m，跨徑為（45+65+45）m等截面鋼箱梁，梁高2.2 m，橋寬10 m。其箱梁照片如圖4所示，建成后的中環如圖5所示。

圖4 鋼箱梁現場照片

圖5 五層鋼箱梁日景（蘇州中環太湖大道）

2.1 鋼彎橋的剪力滯寬度系數

該橋縱向整體計算采用三維有限元建模分析，采用梁格法模型進行模擬。對于箱梁由剪力滯影響而引起的翼緣板寬度的折減，我國現行橋梁規范對于鋼筋混凝土直線橋梁已有明確規定；對于鋼結構橋梁還缺乏具體規定；對于曲線鋼箱梁由于其結構更趨復雜，由剪力滯影響而引起的翼緣寬度的折減更難計算。設計采用了三維薄板有限元法，數值分析采用有限元軟件Ansys[1]對鋼結構曲線連續梁在均布荷載作用下的上翼緣板進行分析，通過大量的計算數據提出了上翼緣有效寬度的實用計算方法，并通過算例分析驗證了方法的準確性。

正交異性橋面板是由頂板和縱橫肋組成，由于剪力滯的影響，在荷載作用下蓋板或翼緣板的受力不均勻。為了簡化計算，通常假定按最大應力均勻分布，并且按力的等效原則得有效分布寬度：

該橋的有效寬度系數見表1，其推導公式見表2。

箱梁的挑臂長2 m，則邊跨挑臂的寬跨比為2/45=0.044，中跨挑臂的寬跨比為2/65=0.031。箱梁的腹板間距為3m，則邊跨箱梁內室的寬跨比為3/45=0.066，中跨箱梁內室的寬跨比為3/65=0.046。帶入推導的公式得到表1。

表1 有效寬度系數表

表2 半徑為100 m的曲線連續梁有效寬度系數計算公式

2.2 設計考慮疲勞的影響

疲勞破壞是指鋼材或構件在反復交變荷載作用下在拉力遠低于抗拉極限強度甚至屈服點的情況下發生的一種破壞。

鋼橋的疲勞主要出現在圖6所標出的6個部位：

A——鋼橋面板頂板的疲勞裂縫；

B——縱向加勁肋與橫隔板處的連接裂縫；

C——縱向加勁肋與橫隔板處過焊孔；

D——縱向加勁肋過焊孔處橫隔板的疲勞裂縫；

E——縱向加勁肋的連接焊縫的疲勞裂縫；

F——縱腹板加勁肋與橋面板的連接焊縫的疲勞裂縫。

圖6 鋼橋易出現疲勞的部位

橋面板在車載作用下會發生往復彈性變形，如圖7所示。

圖7 橋面板變形示意圖

疲勞是鋼橋設計中普遍存在的問題，該橋設計采用了四點方法減少疲勞影響：

（1）在下側受拉處的豎向加勁肋和下緣底板之間留有一定的空隙，這樣可以減少底板裂縫的產生。

（2）在支座的底板處，采用支座鋼板和底板磨光頂緊接觸而不焊接的做法可以減少疲勞裂縫的產生。這是因為在接頭處，如果采用焊接的方式，會因剪應力產生巨大的主拉應力場的作用而產生裂紋，以致梁的承載能力下降；而采取接觸而不焊接的方式，一方面可以減少這方面的影響，另一方面還可以繼續保持它原來的作用。

（3）增加橋面剛度，其主要措施是增大橋頂鋼板厚度，增加橋面鋪裝剛度。

（4）在腹板及頂底板交界處設置豎向加勁板。

2.3 一些設計細節的考慮及設計創新

2.3.1 在支座的內側設置替換支座

這些支座一方面有補強的作用，另一方面是為橋梁使用時對支座的維護和管理提供方便。舉例來說，如果支座在地震或者其他特殊荷載的作用下遇到破壞，可以在替換支座時將支撐放在替換支座下面而不是梁的下面，避免了對梁的破壞。其設置示意如圖8所示。

2.3.2 壓重的階梯形布置

為防止箱梁端部出現負反力，在梁端6 m范圍內設置壓重，壓重采用鐵礦砂混凝土預制塊混合壓重，容重要求達到50 kN/m3，壓重件分兩次施工，第一次在拆除臨時墩前加一半的壓重，其余部分在拆除臨時墩后擺放。為防止底板縱向肋的失穩，在縱向肋間設置T形加勁板。

該橋壓重塊按照階梯形擺放，能最大限度上減少壓重塊件的重量，使得結構布置更趨合理。如圖9所示，圖形左側為曲線內側，右側為曲線外側。

圖9 橋面板變形示意圖

2.3.3 橋面鋪裝的處理

對鋼箱梁的鋪裝也進行了系統研究，通過改變鋪裝的剛度來分析汽車荷載對橋面應力變化的影響，得出橋面剛度越大橋面應力幅值越小。根據這一結論，鋼橋面通過剪力鍵嵌合混凝土橋面鋪裝，增大鋪裝剛度，如圖10所示。

圖10 鋪裝剛度對應力幅的影響

2.3.4 吊裝工序的合理性

針對該工程的現場情況、鋼箱梁的結構特點、道路運輸情況及鋼結構加工廠家的生產能力，采取的吊裝方案如下所示：

鋼箱梁劃分14個分段，如圖11所示。其吊裝現場照片如圖12所示。每個分段質量控制在70 t以下。分段布置如圖11所示，各分段在廠內進行制作，再運輸至現場吊裝，吊裝時先吊裝橋墩分段，再吊裝橋跨之間的縱梁。目前該橋已建成通車。

圖11 鋼橋吊裝順序圖

圖12 鋼箱梁吊裝照片

3 結語

本文在總結實際鋼橋的設計基礎上，提出了一些技術及理論創新，主要有抗扭拉支座的設計、考慮施工過程的栓焊結合、彎鋼橋的剪力滯公式的推導、階梯形壓重等。為減少鋼橋的疲勞破壞，也提出了四種實際做法減少疲勞破壞，為今后的橋梁設計提供設計借鑒。

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