簡支鋼箱渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

余 浪, 羅 艷, 易大偉

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610014； 2. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610059)

我國地域遼闊，水資源分布不均，為了調(diào)節(jié)水資源，把遠(yuǎn)處的水引到水量不足的城鎮(zhèn)、農(nóng)村以供飲用和灌溉，渡槽應(yīng)運(yùn)而生。長期以來，由于跨度不大的原因，渡槽形式多采用梁和拱的形式，或從公路橋上通過。渡槽材質(zhì)也主要采用砌石、混凝土、鋼筋或預(yù)應(yīng)力混凝土等材料建成[1-4]，極少采用有鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)。由于跨越高速公路等種種原因，大跨渡槽越來越多，許多橋梁結(jié)構(gòu)如桁架、斜拉或懸索也開始用于渡槽。簡支鋼箱渡槽作為大跨的一種，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造值得研究，摸索出簡支鋼箱渡槽合適的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法。

1 設(shè)計的主要要點(diǎn)

1.1 最大跨度和高跨比

簡支鋼箱渡槽高度寬度一般不超過3 m，其尺寸與簡支鋼箱人行天橋類似，鋼箱渡槽可參考設(shè)計。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，簡支鋼箱人行天橋最大已做到64 m跨度，梁高2.5 m，高跨比1/25.6。大跨度簡支鋼箱人行橋控制設(shè)計的主要問題是人橋共振問題，而渡槽相比水的振動問題不突出，雖無橋面系等二期恒載，但承受的活載(滿水)卻是人行天橋承受活載(滿人)的3～4倍左右，控制設(shè)計的主要是剛度問題。綜上，適當(dāng)增加鋼板板厚，考慮其滿水活載，鋼箱渡槽最大跨度應(yīng)能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。

1.2 斷面比選

簡支鋼箱渡槽斷面應(yīng)根據(jù)引橋混凝土渡槽截面形式確定。以U形斷面為例，維持渡槽內(nèi)表面不變，鋼箱腹板和底板做成U形，加上縱向拉通的頂板，做成封閉的鋼箱結(jié)構(gòu)，斷面形式圖1。

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)

鋼箱渡槽的結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)可參考鋼箱人行天橋及JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《公路鋼橋規(guī)范》[6])設(shè)置。為了美觀，人行天橋或公路橋橫隔板和加勁肋等構(gòu)造均設(shè)置在箱內(nèi)。而渡槽為了保證其過水能力，箱內(nèi)

(a) 混凝土斷面

(b) 鋼箱斷面

水流過時不能受到阻礙，故設(shè)計水位以下的鋼箱內(nèi)部不能設(shè)置橫隔板和加勁肋等結(jié)構(gòu)構(gòu)造，最終設(shè)計水位以上的構(gòu)造維持設(shè)置在箱內(nèi)不變，設(shè)計水位以下的構(gòu)造按設(shè)置在箱外考慮。為了保證鋼箱渡槽的美觀性，外設(shè)的加勁肋等構(gòu)造外包封板。

鋼箱中橫隔板的主要作用是在偏心作用以及行人或車輪作用下，防止箱梁斷面發(fā)生畸變和橫向彎曲變形。水在渡槽鋼箱內(nèi)均勻流過，基本無偏心荷載，更無車輪作用，理論上可不設(shè)橫隔板。但穩(wěn)妥起見，還是應(yīng)設(shè)置橫隔板，間距不大于6 m，位置在箱內(nèi)，做成設(shè)計水位以下鏤空、設(shè)計水位以上實(shí)腹的構(gòu)造，以保證水流過時不受阻擋。

豎向加勁肋為條形肋，頂板設(shè)置在鋼箱內(nèi)，底板設(shè)置在鋼箱外，頂板條形肋間距不大于翼板的40倍，底板板條形肋間距不大于翼板的80倍，條形肋應(yīng)采用剛性加勁肋，加勁肋的剛度可按照下列公式計算：

I≥bδ3γ

式中：b為頂板的寬度；δ為頂板的厚度；γ為剛度比，具體算法見TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]第5.3.4條。

腹板豎向加勁肋的間距一般不得大于腹板高度的1.5倍，加勁肋的剛度可按照下列公式計算：

It≥3hwtw3

式中：hw為腹板的高度；tw為腹板的厚度。

腹板水平加勁肋可按照《公路鋼橋規(guī)范》第5.3.3條計算，一般來說，只要保證腹板的高度小于厚度的140倍即可不設(shè)置水平加勁肋。

1.4 防腐的考慮

考慮到渡槽鋼箱內(nèi)過水，其防腐體系可參考SL 105-2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》[8]中防腐體系執(zhí)行。

為了避免鋼材與水直接接觸，在設(shè)計水位以下鋼箱內(nèi)表面設(shè)置一層6 cm厚的防水混凝土，防水混凝土與鋼箱采用剪力釘結(jié)合。

1.5 梁端構(gòu)造

為了保證水順利通過渡槽，梁端一般采用橡膠止水帶封閉，混凝土渡槽梁端的橡膠止水帶預(yù)埋入混凝土中，采用螺栓固定。鋼箱渡槽梁端采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，止水帶可按常規(guī)設(shè)置不變，大大減小渡槽梁端的施工難度，節(jié)省造價。

1.6 預(yù)拱度的設(shè)置

鋼箱渡槽剛度較弱，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，設(shè)置過小或過大會影響渡槽的過水性能。一般橋的預(yù)拱度原則為恒載+1/2活載反向設(shè)置，渡槽若按照此設(shè)置，當(dāng)水流較小時，鋼渡槽跨中會有上拱，這會影響鋼渡槽的水流通過。故鋼箱渡槽的預(yù)拱度應(yīng)按照恒載反向設(shè)置，當(dāng)水流較小時，槽底基本為原設(shè)計坡度；當(dāng)水流較大時，鋼渡槽跨中會有一個下凹，但此時水流面離槽底有一定距離，水流面同樣基本為原設(shè)計坡度，不會影響渡槽的過水性能。

2 渡槽設(shè)計

2.1 方案比選

金堂縣東風(fēng)水庫擴(kuò)建工程蘭家壩渡槽主橋跨越成德南高速公路，原設(shè)計在高速公路中央綠化帶中設(shè)墩，采用2孔16 m鋼筋混凝土渡槽。

根據(jù)四川省交通廳有關(guān)文件要求：(1)高速公路中央綠化帶中不允許設(shè)永久墩；(2)渡槽施工及運(yùn)營期中槽下凈高應(yīng)大于5.5 m；(3)需預(yù)留高速公路從4車道擴(kuò)寬到6車道的條件；(4)施工期間不允許斷道。

設(shè)計對方案進(jìn)行了優(yōu)化，并提出三個方案，優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1。

混凝土拱或斜拉懸索渡槽方案投資最高，設(shè)計施工難度最大，首先予以放棄，重點(diǎn)比較預(yù)應(yīng)力混凝土渡槽和鋼箱渡槽。混凝土單價雖便宜，但引橋增加混凝土量，投資增加，全橋造價與鋼箱渡槽相比相差不大，現(xiàn)澆方案施工對高速公路的影響較大，結(jié)合交通廳方面意見，最終采用一孔簡支U形鋼箱渡槽，設(shè)計跨徑為38.6 m。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼箱渡槽全長39.54 m，為簡支等截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)，采用U形鋼箱截面，頂板為直板，腹板、底板為一整體U形曲線板，梁高縱向?yàn)?.45 m，梁端加高為邊腹板處為2.79 m。鋼箱梁頂板厚16 mm，底板和腹板厚32 mm。頂、底和腹板沿縱向設(shè)置條形加勁肋，加勁肋高90 mm、厚12 mm，間距頂板按400 mm、腹底板按450 mm布置。頂板設(shè)在箱內(nèi)，底板設(shè)在箱外。鋼箱梁內(nèi)沿縱向每隔3 m設(shè)置一道橫隔板，為保證鋼箱梁的過水能力，橫隔板采用鏤空式橫隔板，只在設(shè)計水位以上設(shè)置，厚度12 mm。腹板箱外每隔1 m設(shè)一道豎向加勁肋，肋高180 mm、厚12 mm。為了保證美觀性，加勁肋外設(shè)縱向拉通的6 mm厚封板。為了避免水與鋼直接接觸，U形鋼箱內(nèi)設(shè)計水位以下布置一層6 cm厚的防水混凝土，鋼與混凝土之間采用剪力焊釘連接，焊釘規(guī)格10 mm×40 mm。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

為了滿足橡膠止水帶構(gòu)造要求，梁端采用鋼混凝土結(jié)構(gòu)，梁端47 cm范圍填充C30混凝土，混凝土設(shè)置在外包矩形鋼板和內(nèi)貼U形板之間，U形板距離梁端17 cm留出混凝土面來設(shè)置橡膠止水帶。混凝土弧形內(nèi)表面和矩形外表面采用φ12 mm鋼筋網(wǎng)片，間距15 cm，內(nèi)外網(wǎng)片連接采用梅花形拉筋，間距40 cm×40 cm。

鋼箱梁分成三段工廠制造，三段縱向長度分別為12.77 m、14 m、12.77 m。運(yùn)至橋位高速公路旁滿堂支架焊接成一體，整體吊裝到位。鋼箱梁需設(shè)置預(yù)拱，跨中上拱值21 mm，其它部位按照拋物線設(shè)置。

結(jié)構(gòu)設(shè)計立面平面見圖2，斷面見圖3。

2.3 渡槽防腐

渡槽為U形鋼箱，全焊結(jié)構(gòu)。依據(jù)大氣腐蝕環(huán)境、局部腐蝕因素以及鋼結(jié)構(gòu)各部位的工作和維修條件，涂裝設(shè)計的基本要求是防腐蝕涂層的周期性維修主要針對面涂和中涂，也即最大限度保證其底涂層的可靠及完整性，涂層應(yīng)確保在帶棱角構(gòu)件處良好的遮蓋效果和結(jié)合力，同時具有良好的復(fù)涂性，具體見表2、表3。

工地焊接接頭區(qū)域作涂裝防護(hù)要求不低于主體結(jié)構(gòu)。鋼箱板材預(yù)處理：≥Sa 2.5級。所有鋼板出廠車間底漆：無機(jī)硅酸鋅一道，干膜厚度25 μm，需保證鋼板全表面覆蓋漆膜。構(gòu)件二次處理：鋼梁及其他外表面≥Sa 3級，Rz=40～100 μm。對于分段對接處和噴射或拋丸不到的位置，采用動力工具機(jī)械打磨除銹，除銹等級為St3。

圖2 渡槽立面平面(單位: mm)

(a)標(biāo)準(zhǔn)斷面

(b)梁端斷面

鋼箱梁內(nèi)表面防腐為關(guān)鍵工序，過水后要求第一年應(yīng)每季度、之后每年檢查一次，如發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面涂裝剝落或腐蝕嚴(yán)重，應(yīng)重新涂裝。

表2 鋼箱外表面

注①：環(huán)氧富鋅底漆中不揮發(fā)成份中的金屬鋅含量≥80%

表3 鋼箱內(nèi)表面

3 渡槽計算

3.1 設(shè)計荷載

結(jié)構(gòu)恒載：鋼梁重量按實(shí)際尺寸計入，混凝土容重26.5 kN/m3，鋼材容重78.5 kN/m3。

流水荷載：設(shè)計水深42 kN/m，滿槽水深60 kN/m。

荷載組合：恒載+滿槽水深。

3.2 計算方法

3.2.1 強(qiáng)度撓度計算

強(qiáng)度及撓度計算公式如下：

M=(q1+q2)×L2/8

V=(q1+q2)×L/2

σ=M/W≤[σ]

τ=V/(hw×∑tw) ≤[τ]

ω=5×(q1+q2)×L4/384≤L/500

式中：q1為自重(MN/m)；q2為水重(MN/m)；L為跨度( m)；M為跨中最大彎矩(kN·m)；V為梁端最大剪力(kN)；W為抗彎截面系數(shù)(m3)；σ為最大彎曲應(yīng)力(MPa)；τ為最大彎曲應(yīng)力(MPa)；hw為腹板高度(m)；tw為腹板厚度(m)；ω為最大撓度(m)；[σ]為容許彎曲應(yīng)力(MPa)，參照《公路鋼橋規(guī)范》第3.2.1條；[τ]為容許剪應(yīng)力(MPa)，參照《公路鋼橋規(guī)范》第3.2.1條。

3.2.2 穩(wěn)定計算

整體穩(wěn)定性參考《公路鋼橋規(guī)范》第5.3.2條，截面尺寸h/b≤6，且L/b≤65時，可不計算梁的整體穩(wěn)定性。式中：h為梁高，b為梁寬，L為梁跨。由于鋼渡槽高寬比及跨寬比較小，上述很容易滿足，故整體穩(wěn)定性不控制設(shè)計。

加勁肋等構(gòu)造細(xì)節(jié)按照上述第1.3條設(shè)置則可滿足局部穩(wěn)定性。

3.2.3 疲勞計算

鋼箱渡槽剛度控制設(shè)計，導(dǎo)致強(qiáng)度應(yīng)力水平不高，滿水引起的疲勞應(yīng)力不大，一般不控制設(shè)計。

3.2.4 抗震性能

鋼結(jié)構(gòu)重量輕，有優(yōu)越的抗震性能，抗震不控制設(shè)計，但需做好抗震措施，若處于高地震區(qū)，梁端應(yīng)設(shè)置防落梁措施。

3.2.5 抗風(fēng)性能

風(fēng)荷載引起的是梁的面外彎矩，可按公路橋涵通用規(guī)范[9]第4.3.7條取值，按勻布荷載計算面外彎矩，公式參考強(qiáng)度計算公式。一般來說，除非處于強(qiáng)臺風(fēng)區(qū)，風(fēng)荷載不會控制設(shè)計。

3.2.6 溫度荷載

溫度荷載可按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[9]第4.3.10條取值。對于簡支梁，整體升降溫度只會引起位移變化，應(yīng)力無變化，而不均勻溫度引起的應(yīng)力變化較小，不會控制設(shè)計。

綜上所述，鋼渡槽主要進(jìn)行強(qiáng)度和撓度計算，鑒于水利部門習(xí)慣用公式計算，可編制EXCEL程序計算。穩(wěn)定、疲勞、抗震、抗風(fēng)及溫度不控制設(shè)計，一般不需計算，若需要則可采用有限元程序進(jìn)行計算。

4 結(jié)論

從最大跨度、高跨比、斷面比選、結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)、防腐、梁端構(gòu)造及預(yù)拱度等方面對簡支鋼箱渡槽的設(shè)計進(jìn)行了研究，介紹了工程實(shí)例和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為鋼箱渡槽的設(shè)計提供參考。

鋼箱渡槽最大跨度應(yīng)能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。斷面應(yīng)根據(jù)引橋混凝土渡槽截面形式確定，并做成封閉鋼箱。結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)可參考鋼箱人行天橋及《公路鋼橋規(guī)范》設(shè)置。考慮到渡槽鋼箱內(nèi)過水，其防腐體系有條件值得專門研究，若無研究成果可參考SL 105-2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》中防腐體系執(zhí)行。梁端采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，止水帶可按常規(guī)設(shè)置不變，大大減小渡槽梁端的施工難度，節(jié)省造價。鋼箱渡槽剛度較弱，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，設(shè)置過小或過大會影響渡槽的過水性能，預(yù)拱度應(yīng)按照恒載反向設(shè)置。

鋼箱渡槽主要進(jìn)行強(qiáng)度和撓度控制性計算，鑒于水利部門習(xí)慣用公式計算，可編制EXCEL程序計算。穩(wěn)定、疲勞、抗震、抗風(fēng)及溫度不控制設(shè)計，一般不需計算，若需要則可采用有限元程序進(jìn)行計算。