大跨度曲線簡(jiǎn)支鋼箱梁設(shè)計(jì)及受力分析

葉堅(jiān)波

(福州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 福建福州 350108)

0 引言

在城市快速發(fā)展進(jìn)程中，互通式立交在城市交通中起到了至關(guān)重要的作用，隨著路網(wǎng)密度的不斷發(fā)展，難免出現(xiàn)在已修建的城市快速路或高速路上方修建跨越式橋梁。由于受到橋下構(gòu)造物的影響，如采用普通的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，需要搭設(shè)大型的臨時(shí)支架系統(tǒng)，施工時(shí)間長(zhǎng)，從而加大被交路的交通倒改難度和時(shí)間，影響被交路交通通行效率，且施工過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境影響較大。而鋼箱梁則在工廠制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工質(zhì)量得到保證，對(duì)周邊的環(huán)境影響小。同時(shí)其自身重量小，高跨比小，結(jié)構(gòu)輕盈且施工簡(jiǎn)便，更加適合應(yīng)用于城市橋梁中[1]。

基于此，為對(duì)其他類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒，本文擬以福州市北向第二通道工程為例，介紹其設(shè)計(jì)及受力分析。

1 工程概述

福州市北向第二通道工程園中樞紐互通位于福州東區(qū)水廠與上浦嶺村之間，主要實(shí)現(xiàn)國(guó)道G104線、新店片區(qū)與福州市三環(huán)快速路及輔路的交通轉(zhuǎn)換，其中三環(huán)路為既有快速通達(dá)，交通流量大，行車(chē)速度快。本次案例橋梁就位于園中互通C匝道，C匝道上跨三環(huán)快速路，匝道寬9m，為單車(chē)道匝道。

相交處三環(huán)快速路寬45.6m，相交處位于三環(huán)快速路上浦嶺大橋橋臺(tái)處，無(wú)法在中央分隔帶設(shè)置永久性橋墩，故只能采用一跨跨越三環(huán)快速路，經(jīng)綜合比較后，上跨三環(huán)速C4～C5聯(lián)采用1m～58m簡(jiǎn)支鋼箱梁，其與三環(huán)快速路交角為80°，位于R=150m圓曲線上。該聯(lián)橋梁平面圖如圖1所示。

圖1 C匝道平面圖

2 鋼箱梁設(shè)計(jì)方案

C4～C5聯(lián)簡(jiǎn)支鋼箱梁梁寬9m，為單箱雙室結(jié)構(gòu)，由于處于道路超高段，橫坡大，橫斷面采用梁底水平設(shè)置，橫坡通過(guò)箱梁頂板結(jié)構(gòu)設(shè)置，箱梁中心梁高2.8m，為跨徑的1/21。鋼箱梁底板設(shè)計(jì)厚度為28mm，底板厚度為25mm，腹板跨中厚14mm，支點(diǎn)處加厚為20mm，加厚長(zhǎng)度為4m。鋼箱梁上部?jī)蓚?cè)各設(shè)1500寬挑臂，挑臂下翼緣板件截面為200mm×12mm，挑臂處橫隔板為12mm。箱梁頂板下設(shè)置T形和板式加勁肋；底板上設(shè)T形加勁肋。腹板設(shè)板式加勁肋及豎向加勁肋，板式加勁肋截面140mm×12mm；腹板豎向加勁肋間距以道路中心線為基準(zhǔn)，按2m標(biāo)準(zhǔn)間距布置。橫隔板間距以道路中心線為基準(zhǔn)，按2m標(biāo)準(zhǔn)間距布置橫隔板，與腹板豎向加勁肋間距1m，中間橫隔板厚14mm。端支點(diǎn)橫梁的腹板厚度為24mm，端支點(diǎn)支座間距為7m。鋼箱梁斷面如圖2～圖3所示。

圖2 鋼箱梁跨中斷面

圖3 鋼箱梁端支點(diǎn)斷面

3 鋼箱梁計(jì)算模型

進(jìn)行鋼梁整體強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算分析時(shí)，采用Midas/Civil軟件。計(jì)算模型采用建立單梁模型，模擬施工階段，邊界條件按照實(shí)際設(shè)置，空間分析計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型

橋梁荷載包括：①自重(包括橫隔板、腹板豎向加勁肋等，轉(zhuǎn)化為梁?jiǎn)卧己奢d，并考慮由鋼箱梁內(nèi)外側(cè)質(zhì)量不均勻分布而產(chǎn)生的扭矩)；②二期荷載(鋪裝及混凝土護(hù)欄)；③汽車(chē)荷載及沖擊力(城-A級(jí)，按兩車(chē)道最不利布置)；④溫度荷載(梯度溫度及整體升降溫)；⑤汽車(chē)離心力；⑥汽車(chē)制動(dòng)力；⑦支座沉降(取10mm)。

4 鋼箱梁計(jì)算分析

4.1 鋼梁正應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第5.3.1 條的規(guī)定進(jìn)行受彎構(gòu)件抗彎承載能力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 基本組合主梁上緣應(yīng)力圖(MPa)

圖6 基本組合主梁下緣應(yīng)力圖(MPa)

該基本組合下主梁最大拉應(yīng)力為190MPa，出現(xiàn)在跨中下緣附近；最大壓應(yīng)力為165Mpa，出現(xiàn)在跨中上緣附近。主梁應(yīng)力計(jì)算時(shí)，考慮剪力滯和局部穩(wěn)定影響，鋼梁最大拉應(yīng)力為209MPa，鋼梁的最大壓應(yīng)力為181.5MPa，鋼材拉壓應(yīng)力容許值均為270MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.2 腹板剪應(yīng)力驗(yàn)算

在基本組合作用下對(duì)鋼箱梁截面腹板剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 基本組合主梁剪力圖(MPa)

從圖7可以看出，基本組合下主梁剪應(yīng)力最大值為96MPa，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]5.3.3-1條的規(guī)定，腹板設(shè)置一道橫向加勁肋和一道縱向加勁肋時(shí)，腹板最小厚度：ηhw/240=2627/240=11mm，該橋腹板厚度支點(diǎn)加厚段采用20mm，跨中采用14mm，均滿足規(guī)范要求。

4.3 支點(diǎn)橫梁驗(yàn)算

縱向腹板將荷載傳遞至端橫梁，橫梁再傳遞至支座，橫梁為橫向受彎構(gòu)件，按簡(jiǎn)支梁模擬，計(jì)算原理按照恒荷載縱向由腹板傳導(dǎo)至橫梁，以集中荷載的方式加載；活載按照單列車(chē)道產(chǎn)生的活載反力在橫梁車(chē)道范圍內(nèi)自動(dòng)布載。端支點(diǎn)橫梁截面翼緣板考慮頂?shù)装遄饔?，翼緣寬度分別取24倍頂?shù)装灏搴?。?jīng)計(jì)算，端支點(diǎn)橫梁下緣最大拉應(yīng)力為151MPa，上緣最大壓應(yīng)力為140MPa，腹板最大剪應(yīng)力為76MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.4 撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度計(jì)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第4.2.3條規(guī)定，驗(yàn)算汽車(chē)荷載作用下的撓度。汽車(chē)荷載作用下的豎向位移圖如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，活載最大撓度絕對(duì)值為42mm，為跨度58m的1/1360，規(guī)范容許值為1/500，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第4.2.4條規(guī)定，主梁預(yù)拱度設(shè)置大小為恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2車(chē)道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度，頻遇值系數(shù)為1.0。主梁撓度如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值+1/2車(chē)道荷載頻遇值產(chǎn)生的撓度(mm)

由圖9可知，跨中預(yù)拱度取跨中撓度的最大值156mm，其它位置處按拋物線設(shè)置。

4.5 抗傾覆驗(yàn)算

鋼箱梁自重輕，恒載反力較混凝土小，支座在最不利荷載下有脫空可能。該橋跨徑大，平曲線半徑小，曲線梁在扭矩與豎向荷載的共同作用下，彎扭耦合效應(yīng)明顯，在彎扭共同作用下，當(dāng)車(chē)道荷載偏置布置時(shí)，彎橋內(nèi)側(cè)支座極有可能出現(xiàn)脫空，抗傾覆問(wèn)題不容忽視[4]。

小半徑橋梁，由于曲線內(nèi)外側(cè)質(zhì)量分布影響，橋梁內(nèi)側(cè)支座恒載反力較外側(cè)小，當(dāng)半徑一定時(shí)，跨徑越大這種支座反力分配不均現(xiàn)象越明顯，需要通過(guò)采取一些措施來(lái)減輕這種現(xiàn)象[3]。該橋?yàn)楹?jiǎn)支梁橋，僅有兩端支座提供抗扭效應(yīng)，因此采取以下兩種措施：

(1)盡量拉大兩端支座的支座間距，即在支座反力一定的情況下貢獻(xiàn)更大的抗扭效應(yīng)。

(2)梁端采用無(wú)收縮混凝土壓重，加大恒載作用下內(nèi)側(cè)支座反力，避免內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生脫空。

因此，在總體設(shè)計(jì)上通過(guò)以上兩種措施，避免傾覆的發(fā)生。

進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算時(shí)，在曲線外側(cè)布置車(chē)道，根據(jù)該橋橫向?qū)挾?，分別按曲線外側(cè)布置1個(gè)車(chē)道與2個(gè)車(chē)道，根據(jù)支座反力影響線布載，取失效支座所對(duì)應(yīng)荷載最不利布置情況下各支座的并發(fā)反力進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，有效支座平面如圖10所示。

圖10 有效支座平面示意圖

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第4.2.2條規(guī)定，在持久狀況下整體式截面的簡(jiǎn)支梁其結(jié)構(gòu)體系應(yīng)保持不變且作用效應(yīng)應(yīng)滿足抗傾覆要求：

(1)作用基本組合下，受壓支座不能發(fā)生支座脫空，應(yīng)一直處于受壓狀態(tài)；

(2)恒載產(chǎn)生的穩(wěn)定效應(yīng)/活載產(chǎn)生的失穩(wěn)效應(yīng)≥2.5。

表1 抗傾覆驗(yàn)算表

由驗(yàn)算結(jié)果可見(jiàn)，該橋通過(guò)拉開(kāi)梁端支座間距和設(shè)置梁端混凝土壓重兩種措施，梁端支座均不產(chǎn)生脫空，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)最小值為7.54，均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)下對(duì)鋼箱梁的縱向及橫向驗(yàn)算結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)頂?shù)装寮案拱搴穸染鶟M足要求，支點(diǎn)橫隔板厚度滿足要求。

(2)根據(jù)在正常使用極限狀態(tài)下對(duì)結(jié)構(gòu)撓度及預(yù)拱度進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

(3)小半徑橋梁，由于曲線內(nèi)外側(cè)質(zhì)量分布影響，內(nèi)外側(cè)支座恒載反力不均，且由于簡(jiǎn)支鋼箱梁自重輕，抗扭支座少，梁端支座更容易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傾覆。對(duì)此，可通過(guò)加大梁端支座間距，加強(qiáng)抗扭效應(yīng)并設(shè)置一定的梁端壓重，可避免支座脫空和主梁傾覆情況發(fā)生。

(4)在城市跨線橋中，鋼箱梁可以較好地適應(yīng)道路線型，相較于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，鋼箱梁橋更適應(yīng)于小半徑橋梁，高跨比小，受力簡(jiǎn)單，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)特別注意曲線梁橋所產(chǎn)生的彎扭耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)抗傾覆驗(yàn)算，避免傾覆的發(fā)生。