寬幅鋼箱梁大懸臂橫梁的設計方法

陳銀偉

（中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430074）

文章以武漢市光谷大道（三環線—珞喻東路）快速化改造工程跨鐵路段橋梁工程為例，提出一種寬幅鋼箱梁大懸臂橫梁的設計方法[1-3]。

武漢市光谷大道（三環線—珞喻東路）高架橋北起長飛立交，南至三環立交。該段橋梁上跨武漢南環鐵路及余花聯絡線，主橋橋墩位于關南園四路路口。鐵路為路堤形式，頂全寬26m，坡腳全寬56m。上跨鐵路主橋橋跨布置采用2m×62.5m，橋梁全寬40m，上部結構采用整幅式鋼箱梁，轉體施工。橋梁下部結構主墩位于關南園四路路口，橫向布置受限制，采用鋼筋混凝土花瓶式橋墩，底部尺寸13m（縱）×4m（橫），頂部尺寸13m×10.8m，頂帽尺寸16.5m×10.8m（為轉體系統提供施工平臺），群樁基礎；邊墩采用分體式橋墩，橫向布置三柱。受橋墩布置形式和墩型的影響，主墩墩頂橫向設置雙排支座，間距6.0m，橫向懸臂長17m。兩端部均設置三支座，左側墩支座間距20.5m，右側墩支座間距14.6m。橋梁橫斷面圖如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

1 寬度鋼箱梁大懸臂橫梁的設計要點

上跨鐵路主橋采用2m×62.5m連續梁，全寬40m，采用整幅式斷面形式。

上部結構采用變截面鋼箱梁，鋼箱梁端部梁高2.8m，中支點梁高6.0m，邊腹板采用斜腹板結構，梁底采用二次拋物線過渡；鋼箱梁單幅頂寬40m，底寬30.17～32.6m，橫向采用單箱六室結構，箱梁采用Q345鋼材。

根據結構縱向計算情況，中橫梁部位頂板鋼板厚度采用36mm，底板采用40mm，中腹板采用24mm，邊腹板采用32mm，頂板設置10mm U肋，底板設置210mm×14mm+140mm×14mm T肋。

橋梁設計重難點為中支點大懸臂橫梁結構，設計要點：（1）大懸臂橫梁結構設計和應力分析[1-3]；（2）中支點大噸位支撐系統的設計[4-6]；（3）由于中墩橫梁懸臂過大導致的全橋運營階段抗傾覆穩定性問題[7-9]。中支點大懸臂橫梁示意圖如圖2所示。

圖2 中支點大懸臂橫梁示意圖（單位：mm）

2 工程重難點解決方案

2.1 大懸臂橫梁結構設計

橋梁采用墩頂轉體施工，為滿足轉盤布置的需要，中橫梁寬度取6.0m，橫梁橫向設置雙排支座，間距6.0m，頂板懸臂長度達到17.0m，橫向受力很大。

橫梁采用實腹式橫隔板形式設置，縱向布置3條實腹式橫隔板，間距2.0m，橫隔板厚度36mm，支座部位設置腹板加勁肋，將3條腹板連成整體，形成格構體系，共同受力。橫梁部位頂板厚36mm，底板厚40mm；支座部位設置80mm厚調平鋼墊板。

2.2 大懸臂橫梁支撐系統設計

由于橋梁跨度大，面積大，采用先轉體后合攏施工方案，因此中橫梁部位支座反力相應較大，對應的支座噸位也較大。根據縱向計算結論，該橋支反力結構如表1所示。

表1 全橋縱向支反力計算表 單位：kN

橋梁主墩最大反力為70515kN，橫向布置雙排支座，間距6.0m，如縱向采用單排支座，則支座噸位約40000kN，對于鋼箱梁底板、橫隔板及加勁肋局部承壓較為不利[4-6]。

鑒于上述影響因素，本橋中橫梁支撐體系考慮采用縱向雙排布置，縱向間距4.0m，支座正對著實腹式橫隔板。中墩共布置4個支座，如圖3所示。

縱向設置間距較小的雙排支座會加大活載的負效應，但受鋼箱梁自身豎向和縱向剛度的影響，負效應會相應折減。根據全橋板殼模型分析計算結果（綜合考慮鋼箱梁豎向和縱向剛度的影響），支座反力結果如表2所示。

表2 中墩支座反力計算表 單位：kN

由表2計算結果可知，受鋼箱梁自身豎向和縱向剛度的影響，該橋活載對縱向雙排支座的負效應影響相對較小，單個支座壓力儲備均較大，最小壓力為13599kN，支座最大反力為19617kN。中墩選擇4組20000kN支座可滿足結構受力要求。

2.3 大懸臂橫梁抗傾覆穩定性問題解決方案

自2007年以來，國內在多地發生箱梁橫向傾覆失穩直至垮塌的事故，且大部分為整體式大箱梁，因此，大箱梁橫向抗傾覆穩定性也成為橋梁的重要設計內容[7-9]。本橋橋寬達40m，上部結構采用鋼箱梁，且中墩支座間距僅6m，于橋梁橫向抗傾覆穩定性不利，橋梁橫向抗傾覆穩定性需重點考慮。

設計通過拉大端支座間距來解決橋梁橫向抗傾覆穩定性問題，兩側邊墩均設置3排支座，其中左側墩支座間距20.5m，右側墩支座間距14.6m，如圖4所示。

圖4 橋梁支座平面布置圖（單位：mm）

3 工程理論計算結論

3.1 寬幅鋼箱梁大懸臂橫梁應力分析

（1）橫隔板剪應力分析。中橫隔板處于支座處反力作用下，受剪力較大。在中橫梁處有3塊橫隔板共同受力。橫隔板板厚取t=36mm，橫隔板高度h=6000mm。中橫梁腹板剪應力如圖5所示。

圖5 恒載+活載作用下橫梁剪應力云圖（單位：Pa）

恒載+活載作用下，中橫梁部位橫隔板最大剪應力為τmax=106MPa＜[τ]=155MPa，發生在主梁左右支座附近，其余部分應力水平較低，剪應力分布相對較均勻，滿足鋼結構受力要求。

（2）大懸臂橫梁橫向彎曲應力分析。中橫梁部位頂板鋼板厚度采用36mm，底板采用40mm，中腹板采用24mm，邊腹板采用32mm，頂板設置10mm U肋，底板設置210mm×14mm和140mm×14mm T肋。中橫梁頂底板彎曲應力如圖6所示。

恒載+活載作用下，中橫梁部位橫向頂板最大彎曲應力為σmax=147MPa＜[σ]=270MPa，發生在支座位置頂板部位。底板部位支座附近局部應力集中，壓應力達到316MPa＜fcd=355MPa，滿足端面承壓要求；其余部位最大壓應力為95.5MPa，滿足鋼結構應力要求。

3.2 支撐系統局部應力分析

由于鋼箱梁底板支座部位采用格構體系，底板在豎向剛度遠小于腹板及橫隔板豎向剛度，因此底板面外承壓能力遠小于設置有腹板、橫隔板及加勁肋的部位，需對支座上方設置有腹板、橫隔板及加勁肋的部位進行局部應力檢算。

圖6 恒載+活載作用下中橫梁橫向彎曲應力云圖（單位：Pa）

該橋支座墊板橫橋向寬度B1=2000mm，順橋向寬度B2=2000mm，厚度t=80mm，支座上座板最小尺寸為1130mm（縱）×1010mm（橫），墊板范圍內有1道厚度td1=36mm橫隔板、3道厚度td2=28mm支座加勁板。支座處箱梁底板厚度tf=40mm，則橫隔板的有效寬度Beb1=1010mm+2×（80+40）mm=1250mm；加勁肋有效寬度Beb2=1130mm+2×（80+40）mm-36mm= 1334mm。局部承壓應力：

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）3.2.1條規定，Q345鋼板端面承壓fcd=335MPa，支撐系統局部應力滿足結構受力要求。

3.3 箱梁橫向抗傾覆穩定性分析

根據已發箱梁傾覆事故的分析，上部結構的橫向失穩主要表現為兩種狀態：第一種為單向受壓支座脫離正常受壓狀態，上部結構的支撐體系不再提供有效約束，導致上部結構扭轉變形趨于發散，橫向失穩垮塌，支座、下部結構連帶損壞；第二種為箱梁抗扭支撐全部失效，導致箱梁整體傾覆。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）4.1.8條進行箱梁抗傾覆穩定性分析，特征狀態1最不利組合下支座最小反力為848kN，滿足要求，特征狀態2下失穩效應計算滿足要求。

4 工程實施效果

武漢市光谷大道（三環線—珞喻東路）快速化改造工程跨鐵路段橋梁工程已于2019年6月22日成功轉體，于2019年8月合龍，并于同年度9月通車。橋梁目前運營狀況良好。

5 結束語

文章以武漢市光谷大道（三環線—珞喻東路）快速化改造工程跨鐵路段橋梁工程為例，介紹了寬幅鋼箱梁大懸臂橫梁的設計難點，并提出相應解決方案和措施，同時結合理論計算分別進行了寬幅鋼箱梁大懸臂橫梁應力分析、大噸位支座系統局部應力分析、橋梁整體橫向抗傾覆穩定計算，為寬度鋼箱梁大懸臂橫梁的設計提供了一定的思路，可為今后類似工程提供設計參考。