福建沙埕灣跨海大橋主橋鋼箱梁設計

■黃曉偉

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

1 概述

沙埕灣跨海公路通道是國家公路網寧波至東莞高速公路和海峽西岸經濟區高速公路網“三縱八橫”主骨架中的“第二縱”跨越沙埕灣的關鍵性工程。沙埕灣跨海大橋為其控制性工程,大橋位于福鼎市佳陽鄉竹甲鼻附近，以主跨535m的主橋跨越竹甲鼻與青嶼島之間的北汊水域(水面寬約485m)。主橋采用雙塔雙索面單側混合梁斜拉橋[1](見圖1)，北邊跨為混凝土梁，中跨及南邊跨為鋼箱梁，跨徑組成為(49+58+61+535+198+60)m。

2 主要技術標準

(1)公路等級：雙向六車道高速公路。

(2)行車速度：100 km/h。

(3)車輛荷載等級：公路-I級。

(4)橋寬：1.2 m(風嘴)+1.5m(人行道)+1.05m(索 區)+0.5m(防撞護欄)+3.0m(緊急停車帶)+3×3.75m(行車道)+(0.75m+2m+0.75m)(中間帶)+3×3.75m(行車道)+3.0m(緊急停車帶)+0.5m(防撞護欄)+1.05m(索區)+1.5m(人行道)+1.2 m(風嘴)=40.5m。

3 鋼梁斷面

主梁采用封閉扁平流線形鋼箱梁(見圖2)，主要輪廓尺寸為：含風嘴底板寬8.85+22.8+8.85=40.5m，中心線處梁高3.204m。橋面設置2.5%雙向橫坡。根據結構受力性能以及橋梁所處地區的溫度條件，考慮橋址處低溫、焊接、疲勞等因素，主梁采用Q345qD橋梁用結構鋼。

圖1 沙埕灣跨海大橋主橋橋型布置(單位：m)

圖2 沙埕灣跨海大橋主橋鋼梁橫斷面(單位：m)

3.1 鋼梁頂板

頂板在縱橋向均采用16mm板厚，橫橋向靠近外腹板的錨固區2880mm范圍內增強至20mm板厚，以利于斜拉索索力的擴散。

頂板除了中央分隔帶及靠近外腹板處設置16mm厚板肋外，其余部位均采用U型加勁肋加勁。U肋上口寬300mm，下口寬180mm，基本間距600mm。U型加勁肋根據其所支撐頂板厚度的不同，采用8、10mm兩種厚度(16mm頂板采用8mm加勁肋，錨固區20mm頂板采用10mm厚加勁肋)。采用上述措施，有利于提高橋面板剛度和抗疲勞性能，減少橋面鋪裝病害的發生。

3.2 鋼梁底板

底板包括水平底板和斜底板兩部分。根據結構受力需要，水平和斜底板在順橋向按照梁段分別采用了12mm～20mm不同板厚，其中結合段附近的梁段和塔區梁段板厚為20mm，墩頂壓重區梁段板厚為16mm。其余梁段板厚均為12mm，底板順橋向不同板厚相接保證底板頂緣對齊。

底板采用U型加勁肋加勁，基本間距800mm。加勁肋厚度根據其所支承底板厚度的不同，在6～8mm之間變化(12mm、14mm厚底板采用6mm厚加勁肋，16mm、20mm厚底板采用8mm厚加勁肋)。

3.3 鋼梁腹板

外腹板厚度均為30mm。為保證其具有足夠的抗壓屈能力，設置兩道240×24mm水平加勁肋。拉索錨固區再增設兩道200×20mm水平加勁肋，以增大外腹板剛度。

3.4 鋼梁橫隔板

鋼箱梁內的橫隔板均采用板式橫隔板，橫隔板標準間距為3m和3.75m，可以保證鋼箱梁具有足夠的橫向剛度、抗扭剛度，滿足支承其上的正交異性板的局部變形的要求，改善橋面鋪裝受力狀態。非吊點處橫隔板厚度為10mm，在拉索錨固處加厚至16mm，支座安裝處等特殊部位根據受力需要，采用了不同板厚。在鋼箱梁起吊過程中，為防止橋面吊機前支點處主梁出現過大的應力集中，主梁在吊機前支點對應的橫隔板處設置前支點橫隔板加勁構造。

根據鋼箱梁橫隔板制造工藝要求，橫隔板制造方式有：搭接式橫隔板，整體式橫隔板，分塊式整體橫隔板3種方式。

(1)搭接式橫隔板

搭接式橫隔板將隔板分成三部分，上下連接板及搭接板。由于在鋼箱梁總拼前可以將上下連接板分別與頂、底板焊接，總拼時再焊搭接板，焊縫質量容易控制，避免了仰焊。但搭接式橫隔板存在受力偏心的問題，對鋼箱梁總體受力不利。

(2)整體式橫隔板

整體式橫隔板不存在連接板和搭接板，受力明確，減少了橫位對接焊縫，殘余變形較小，工裝控制簡單。但整體式橫隔板導致了橫隔板與面板U肋焊縫之間須仰焊，同時，對接困難會導致大量配切工作，總體質量難以控制，面板單元耐久性降低。

(3)分塊式整體橫隔板

分塊式整體橫隔板分成2～3部分，頂板連接板、底板連接板和橫隔板。分塊式整體橫隔板避免了受力偏心，避免了仰焊，采取了搭接式和整體式的優點。

該橋橫隔板設計選擇分塊式整體橫隔板，梁內橫隔板由上、下兩塊板組成，上、下板熔透對接。上板與頂板單元一起組裝，板塊間采用熔透對接的方式相連。

3.5 鋼梁縱隔板

梁段內橫向設置兩道縱隔板。由于正交異性板的橫向剛度很小，在橋面車輪荷載作用下，桁架式縱隔板(見圖3)桁架桿件與頂板連接處的疲勞應力幅較大，在已有橋梁上發現桁架桿件出現疲勞開裂。考慮到縱隔板采用桁架式對鋼材用量減少有限，且施工不便，為穩妥起見，所有梁段均采用實腹板式。

圖3 桁架式縱隔板疲勞開裂示意

實腹板式縱隔板采用整體式，由上、下兩塊板組成，上、下板熔透對接。根據受力需要，采用了12、16、20和24mm四種板厚。由于縱隔板高厚比較大，為保證其具有足夠的抗壓屈能力，設置了三道T型加勁肋。

3.6 U肋焊接設計

據目前鋼箱梁的調查統計顯示，U肋和頂板連接處焊縫位置出現的疲勞開裂最多。由于縱向U肋內部空間狹小，U肋內側與鋼橋面間無法焊接，U肋與鋼橋面連接只能采用U肋外側單面焊的傳統連接方式。為提高U肋和鋼橋面連接部位的疲勞性能，本工程橋面板U肋焊接采用U肋內焊技術。

與單面焊相比，U肋雙面焊技術(見圖4)增加焊縫截面積，并且雙焊縫形心與U肋肋板形心對應，采用U肋雙面焊技術可大幅降低局部輪載作用下，U肋焊縫焊根處及橋面板焊趾處的應力幅值，從而避免從焊縫焊根處萌生的疲勞裂紋問題，同時也大幅提高了橋面板焊趾處疲勞性能。

鋼橋面板制作過程中應按以下工藝流程進行施工：U肋板單元組裝定位→U肋內焊→U肋外焊→U肋板單元矯正→轉下道工序。正交異性鋼橋面U肋板單元關鍵制造工序見圖5。

3.7 索梁錨固

目前鋼箱梁常見的索梁錨固型式主要有3種：錨箱式錨固、耳板式錨固和錨拉板錨固3種(見圖6)。

(1)錨箱式錨固

錨箱式錨固結構是在腹板外側焊接箱形結構,拉索錨固在錨箱的承壓板上,主要由2塊錨固板、承壓板、錨固板間的加勁板、錨固板上的加勁板、墊板構成。斜拉索拉力是通過錨固板和承壓板與腹板連接的焊縫,以剪力的形式傳遞到腹板上,腹板上的力通過橫隔板、頂板和底板,傳遞到整個截面,并均勻擴散。斜拉索錨頭置于風嘴內，景觀效果好。

(2)耳板式錨固

圖4 U肋焊縫示意

圖5 正交異性鋼橋面U肋板單元關鍵制造工序圖

圖6 斜拉索的三種梁端錨固形式

耳板式錨固是斜拉索錨頭、銷接連接件、錨固耳板及補強板組成，主梁外腹板向上伸出耳板，斜拉索直接通過銷接連接件與耳板連接。由于耳板在銷孔附近的局部應力較大，要求鋼材具有很高的屈服強度和較大的板厚度，給材料采購和制造加工帶來困難，當索力較大時，耳板材料問題更為突出。

(3)錨拉板錨固

拉板式連接是將鋼板作為拉板,拉板上部開槽,槽口內側焊接于錨管外側,斜拉索穿過錨管并錨固在其底部；下部直接用焊縫與主梁頂緣焊接。索力通過錨管與拉板間的焊縫將索力傳遞給錨拉板，再通過拉板與鋼梁頂緣的焊縫，將索力傳遞給鋼梁。拉板與錨管、拉板與主梁頂板焊縫是受力的關鍵,但應力集中非常嚴重,尤其后者受豎向拉應力、縱向剪應力和縱向拉應力共同作用，應力狀態負責。位于拉板下緣的主梁頂板需要增加鋼板的Z向性能，確保拉板與主梁頂板焊縫處的結構質量。

通過研究比選，本橋采用錨箱式錨固形式，主梁外腹板和承壓板內側均設置補強板，以利于錨固處的應力合理分散到主梁上。為使承壓板的壓彎曲較小，承壓板及其墊板采用不同的板厚，并將承壓板做成四邊支撐的構造。根據斜拉索索力的不同和錨箱板件受力情況，將錨箱構造分成了M1～M4共四種類型。

4 鋼混結合段

鋼混結合段位置的合理設置[5]，能較流暢地承受并傳遞各種作用產生的內力及變形。接頭位置應具有良好的抗疲勞性和耐久性，外形上也要求鋼梁和混凝土梁過渡一致。

圖7 結合段縱剖面圖(單位：mm)

預應力混凝土梁與鋼梁的連接位置宜選擇在彎矩和剪力均較小的區域，一般設在橋塔附近，可以在邊跨側，也可以在中跨側。本橋鋼混結合段(見圖7)設在中跨側距北塔中心12.5m位置，此處彎矩和剪力均較小，結合段采用后承壓板連接方式，長度為2m。

與混凝土連接的鋼箱梁，頂、底板和腹板均伸入2m長度至混凝土梁中，全斷面連接形成一體。鋼梁與混凝土結合部位較大的軸向力，通過承壓板緊貼混凝土梁傳遞。主梁頂、底板通過抗剪焊釘與混凝土牢固結合，并利用混凝土梁內的縱向預應力束加以錨固，形成彎矩傳遞。梁中的剪力通過端面焊釘傳遞。此外鋼板與混凝土間的摩阻力和粘結力也可發揮作用，結構有足夠的安全性保障。

5 結語

受氣候以及地理位置等因素的影響，對鋼箱梁的工作性能要求較高。在該橋的設計過程中，對鋼箱梁的構造細節設計采取了較多的改進措施，如區別對待內、外側車道橋面系構造，U肋焊接采用雙面焊,采用實腹式縱隔板等，設計同時對鋼結構加工提出了適當的工藝要求，保證了鋼結構成品的整體質量，提高了結構的耐久性能。