小半徑曲線上鋼箱梁匝道橋設計

劉 潤 舟

(中鐵上海設計院集團有限公司南昌院，江西 南昌 330002)

近年來，隨著社會經濟發展，汽車保有量的快速增長，對道路互聯互通的要求進一步提高，隨之出現了大量的立交。在分離式和互通式立交橋中，為實現道路轉向功能、減少占地、避讓建(構)筑物、節省投資，曲線梁匝道橋被廣泛應用，其曲線半徑非常小，一般在50 m～150 m之間。在曲線半徑小，而需要的跨度比較大時，常采用鋼箱梁以避免預應力混凝土梁因鋼束的外崩，以及彎剪扭效應在不同腹板分布差異而導致應力狀況較為復雜的情況，確保橋梁結構設計[1]安全可靠。

1 工程概況

本橋為A匝道第五聯，為跨越既有20 m寬城市道路及新建E,F匝道而設計，上部結構采用(27+50+25)m等高度鋼箱梁，下部結構A14號～A17號墩為花瓶墩，墩高約7 m～9 m，鉆孔灌注樁基礎。橋梁全寬為8.5 m，平面位于R-60 m曲線上，其平面布置見圖1。

1.1 主要技術標準

1)計算行車速度：40 km/h。

2)設計荷載：城—A級。

3)抗震設防：地震動峰值加速度0.05g，基本烈度為6度。

4)安全等級：一級，重要性系數1.1。

5)環境類別：Ⅰ類。

6)設計使用年限：100年。

1.2 主要材料

主梁采用Q345qC鋼材，橋面鋪裝分兩層：下層為15 cm厚C50鋼纖維混凝土；上層為4 cm厚(SMA-13)改性瀝青混凝土+6 cm厚(AC-20)中粒式瀝青混凝土。

2 結構構造

主梁全長102 m，梁頂面寬度8.5 m，懸臂長度1.35 m，采用單箱雙室斜腹板橫斷面，鋼箱梁采用縱橫梁加頂、底板焊接而成，鋼箱梁設三條腹板，板厚16 mm，腹板間距2 m；箱梁頂板下每隔440 mm左右設置一道U形縱向加勁肋，底板上緣每隔440 mm設置一道Ⅰ形縱向加勁肋。箱梁頂板在支點左右兩側900 mm范圍內板厚36 mm，中跨板厚18 mm，邊跨板厚16 mm的鋼板。箱梁底板在支點左右兩側1.3 m范圍內板厚36 mm，中跨板厚20 mm，邊跨板厚18 mm的鋼板，頂底板厚度變化處設過渡段。鋼箱梁橫隔板厚16 mm，橫隔板縱向布置間距為2.0 m，按照每兩道弱橫隔板、一道強橫隔板的方式間隔布置，其橫斷面布置如圖2所示。

3 結構計算

3.1 計算原則及參數

1)鋼箱梁自重：78.5 kN/m3。

2)二期恒載：瀝青混凝土橋面鋪裝容重取25 kN/m3，混凝土現澆層容重取26 kN/m3，單側防撞護欄重量按13 kN/m取值。

3)汽車荷載：城—A級。

4)溫度荷載：整體升、降溫差20 ℃，梯度溫差T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，A=300 mm。

5)支點沉降：中支點最大沉降10 mm，邊支點最大沉降5 mm。

3.2 計算方法

采用Midas Civil軟件進行全橋縱向整體計算，主梁劃分為58個單元，邊支點及中支點附近增設加勁肋，其自重以集中力形式作用于支點處。根據橋面布置，汽車按最不利情況進行影響線加載。梁體4個橋墩處均設雙支座，約束橋梁相應方向的變形。根據不同施工階段，激活相應單元、施加該階段荷載模擬施工過程，靜力計算模型如圖3所示。

3.3 施工階段劃分

主要施工步驟為澆筑橋墩和設臨時支墩、吊裝墩頂處鋼橫梁、吊裝鋼箱梁節段、焊接節段接頭、澆筑節段壓重混凝土、施工橋面現澆層、澆筑兩側混凝土護欄、攤鋪橋面鋪裝層瀝青混凝土。

3.4 靜力計算結果

經過計算，在各荷載組合下，強度滿足規范[2]要求，主要計算結果如表1所示。

表1 基本組合下正應力 MPa

基本組合下，上緣最大正應力為79.4 MPa，下緣最大正應力為141.4 MPa，箱梁上下緣正應力均小于270 MPa，滿足要求。基本組合下，鋼梁剪應力57.4 MPa小于160 MPa，滿足規范[3]要求。

由汽車車道荷載引起的連續鋼箱梁橋最大豎向撓度小于計算跨徑的1/500。即最大活載豎向撓度為20.4 mm<50 000/500=100 mm，剛度滿足要求。

4 預拱度設置

箱梁預拱度大小應視實際需要而定，宜為結構自重標準值加1/2車道荷載頻遇值產生的撓度值，頻遇值系數為1.0。本聯鋼箱梁由于邊跨較小，邊跨撓度較小，不設預拱度，僅中跨設置預拱度，鋼箱梁在恒載和活載下的撓度分別如圖4,圖5所示。

恒載的中跨跨中撓度為39 mm，活載的跨中撓度為21 mm，以恒載+1/2活載撓度作為跨中預拱度，即最大預拱度為49 mm，預拱度應保持橋面曲線平順，可以二次拋物線或其他光滑曲線形式由跨中往兩中支點處過渡設置。

5 穩定性驗算

曲線上的橋梁應進行抗傾覆[4]驗算，其主要內容包括：基本組合下單向受壓支座始終保持受壓狀態，其支座反力詳見表2；標準組合下整體穩定效應與傾覆效應的比值，即傾覆穩定系數應大于2.5，其驗算過程詳見表3。

表2 基本組合下各支座反力

表3 標準組合下的穩定性

由表3可知，在作用基本組合下，單向受壓支座始終保持受壓狀態，作用標準組合作用下，抗傾覆穩定系數大于2.5，滿足規范抗傾覆要求。

6 結語

鋼箱梁橋在小半徑曲線匝道上有著廣泛的適用性，有著混凝土結構無法比擬的優勢，其受力特性亦不同于直線上的橋梁。在恒載作用下，曲線內、外側支反力不同，半徑越小的橋梁這種現象越明顯，甚至相差懸殊。在活載作用下，外側偏載將使內側支座出現負反力，進一步加重了梁體往外側翻轉的趨勢。此時應采取支點處橫隔梁內壓重、調整支座橫向距離、設置墩梁固結及縱橫向限位等構造措施控制支座脫空[5]，并避免梁體發生整體失穩，以滿足設計要求。