帶外伸橫梁的鋼箱梁橋設(shè)計(jì)實(shí)踐

肖 春，李旭彪，王文建，馬 超

（1.中恒工程設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610017；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；3.成都空港城市發(fā)展集團(tuán)有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市高架橋以其占地少、受周邊交通干擾小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)緩解城市交通壓力起了很大作用，已成為現(xiàn)代交通體系中的重要一環(huán)。城市高架橋的總體布置不僅要考慮高架橋自身的需求，還需兼顧橋下道路凈空及整體景觀要求，當(dāng)高架橋中心線與橋下道路的交角較小，或橋墩的布設(shè)受河道、地鐵、地下管線等限制時(shí)，采用外伸橫梁是一種有效辦法。

帶外伸橫梁的連續(xù)梁橋在國(guó)內(nèi)外已有應(yīng)用案例，尚延剛[1]研究了武漢市唐家墩立交橋A 匝道AL3聯(lián)連續(xù)梁，采用大跨帶外伸鋼橫梁同時(shí)跨越二環(huán)路、姑嫂樹主線高架及唐家墩地鐵站的設(shè)計(jì)思路，解決了因空間限制無法布置橋墩的難題。程偉[2]結(jié)合上海松江有軌電車T2 線工程，研究了具有外擴(kuò)橫梁的鋼箱梁總體設(shè)計(jì)，分析了外擴(kuò)橫梁與主梁交叉區(qū)域的受力，探討了該聯(lián)鋼箱梁的施工分段及吊裝方案。羅來洋[3]結(jié)合惠州金愷大道A 匝道4×30 m 帶外伸橫梁的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，對(duì)該橋縱向主梁的內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支承反力等進(jìn)行了研究，為該橋的設(shè)計(jì)提供了一些有益的建議。

1 橋梁設(shè)計(jì)

1.1 橋梁總體布置

成都市鳳凰山高架橋左主線橋?yàn)榧扔斜毙歉呒軜蚺c鳳凰山高架橋之間的連接通道，其起點(diǎn)采用拓寬橋接北星高架橋，終點(diǎn)接鳳凰山高架橋主線，全長(zhǎng)902.8 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度9 m。其中第6 聯(lián)上跨北星高架橋與沙河排洪渠，其平面位于R=254.8 m 的圓曲線及緩和曲線上，縱斷面位于1.054%的縱坡及豎曲線上為本工程的控制性節(jié)點(diǎn)[4]。本節(jié)點(diǎn)處的建設(shè)條件為：

（1）橋下的沙河排洪渠與左主線橋夾角為23.6°，河道的凈寬約14.5 m，考慮到泄洪需求，河道管理部門要求不得在河道中布置橋墩。

（2）北星高架橋與左主線橋夾角為23.1°，其左、右幅橋布置于沙河排洪渠的兩側(cè)，左、右幅橋之間的凈距為3.5 m，單幅橋?qū)?3.5 m，該橋于2007 年建成通車。

經(jīng)綜合考慮，本聯(lián)采用跨徑布置為4×28.9 m 的連續(xù)鋼箱梁，在Z16#～Z18# 橋墩處采用外伸式橫梁，總體布置如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 上跨節(jié)點(diǎn)平面示意圖（單位：m）

圖2 左主線第6 聯(lián)橋立面圖(單位：m）

圖3 典型橫斷面圖（單位：m）

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路。

（2）設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

（3）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（4）設(shè)計(jì)荷載：城-A 級(jí)。

（5）抗震等級(jí)：地震基本烈度為7 度。

（6）橋下凈空高度大于等于5.0 m。

1.3 下部結(jié)構(gòu)布置

Z16#、Z17#、Z18# 中支墩均采用雙柱墩，墩高分別為13.2 m、13.7 m、13.7 m，采用2.0×2.0 m 的矩形截面，截面邊緣采用半徑R=0.2 m 的圓弧倒角。基礎(chǔ)均采用承臺(tái)+ 樁基礎(chǔ)，樁徑D=1.8 m。

Z15#、Z19# 分聯(lián)墩均采用T 型橋墩，墩高分別為13.7 m、15.6 m，墩柱采用2.0×1.5 m 的矩形截面。基礎(chǔ)均采用承臺(tái)+ 樁基礎(chǔ)，樁徑D=1.5 m（見圖4）。

圖4 鋼箱梁平面構(gòu)造圖（單位：m）

1.4 鋼主梁構(gòu)造

鋼主梁的跨徑布置為4×28.9 m，采用單箱雙室斷面，頂板寬8.7 m，底板寬5.5m，梁高1.82 m。主梁頂板一般段厚16 mm，頂板加厚段厚40 mm，底板厚20 mm，腹板厚16 mm。

主梁頂板采用U 肋、板肋進(jìn)行縱向加勁，底板、腹板采用板式加勁肋進(jìn)行縱向加勁。主梁內(nèi)普通橫隔板的標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，在普通橫隔板之間設(shè)次隔板，在支座位置處設(shè)支座橫隔板。普通橫隔板及次隔板的板厚均為12 mm，支座橫隔板的板厚為20 mm。鋼主梁采用Q345C 鋼材（見圖5）。

圖5 箱主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

1.5 鋼橫梁構(gòu)造

橫梁采用單箱單室箱梁，橫梁寬2.5 m，Z16# 橫梁高為3.0～3.315 m，Z17# 橫梁高為3.0～3.344 m，Z18# 橫梁高為3.0～3.386 m。橫梁的頂、底板厚均為40 mm，腹板厚20 mm。

橫梁頂板采用倒T 肋加勁肋，底板及腹板均采用板式加勁肋。橫梁節(jié)間內(nèi)普通橫隔板間距為3 m，在普通橫隔板之間設(shè)次隔板，支座位置設(shè)支座橫隔板。普通橫隔板及次隔板的板厚均為16 mm，支座橫隔板板厚為30 mm。橫梁采用Q345C 鋼材（見圖6）。

圖6 橫梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

1.6 主梁及橫梁相交段構(gòu)造

主梁與橫梁相交段采用如下構(gòu)造：

（1）主梁頂板及頂板縱向加勁肋：橫梁、主梁相交處共用頂板；為保證主梁頂板的抗疲勞強(qiáng)度[5-6]，采用在橫梁腹板、橫梁頂板倒T 肋上開孔的方式，以保證主梁頂板的縱向加勁肋能連續(xù)通過。

（2）主梁腹板及腹板加勁肋、主梁底板及底板加勁肋：均在橫梁腹板處斷開，并與橫梁腹板焊接；主梁腹板加勁肋由于與橫梁腹板加勁肋有較多沖突，在橫梁內(nèi)不設(shè)置。

1.7 支承體系

在Z15#、Z19# 橋墩墩頂均采用雙支座，支座間的橫橋向間距為4.1 m；Z16#—Z18# 橋墩均采用雙支座，支座橫橋向距橫梁端部1.5 m。為適應(yīng)橫梁的較大轉(zhuǎn)角，各支座均采用JQZ（II）球型支座，支座布置如圖7 所示。

圖7 支座平面布置圖（單位：m）

1.8 邊跨配重

為防止支座出現(xiàn)負(fù)反力，在鋼主梁梁端6.26 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的箱室底部澆筑C25 素混凝土進(jìn)行壓重，壓重混凝土Z15# 橋墩側(cè)高度為60 cm、Z19# 橋墩側(cè)高度為45 cm。

1.9 預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)拱度采用結(jié)構(gòu)自重與1/2 活載之和，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在Z16#、Z17#、Z18# 橫梁的跨中分別設(shè)15 mm、22 mm、23 mm 的向上預(yù)拱度，第1—4 跨主梁跨中分別設(shè)置10 mm、17 mm、26 mm、19 mm 的向上預(yù)拱度。

1.10 鋼梁的連接

鋼梁在工廠、工地均采用焊接連接。

1.11 橋面鋪裝構(gòu)造

鋼橋面鋪裝總厚度7 cm，由上至下分別為3.5 cm SMA-10+3.5 cm GA-10（澆筑式瀝青混凝土）+ 防水粘結(jié)層。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 分析模型

2.1.1 有限元模型

帶外伸橫梁的鋼箱梁橋由于空間效應(yīng)明顯，需采用空間分析模型進(jìn)行精細(xì)化分析以保證結(jié)構(gòu)安全。采用Midas Civil 有限元程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體的靜力分析，橋墩、主梁、橫梁均采用梁?jiǎn)卧M。共劃分為330 個(gè)節(jié)點(diǎn)，309 個(gè)單元，如圖8 所示。

圖8 整體有限元分析模型

2.1.2 荷載

（1）普通鋼筋混凝土構(gòu)件重度為25 kN/m3，瀝青混凝土重度為24 kN/m3，鋼結(jié)構(gòu)重度為78.5 kN/m3。

（2）支座不均勻沉降：Z15#、Z19# 墩的整體不均勻沉降采用0.01 m，Z16#、Z17#、Z18# 墩2 個(gè)墩柱各自的不均勻沉降均采用0.01 m。

（3）整體升降溫：成都位于溫?zé)岬貐^(qū)，鋼橋的最高有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值為46℃，最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值為-9℃，合攏溫度在15±3℃之間，因此合攏后結(jié)構(gòu)的整體升溫采用34℃，整體降溫采用27℃。

（4）鋼橋面豎向梯度溫度效應(yīng)：參照英國(guó)規(guī)范BS-5400[7]的規(guī)定來計(jì)算鋼橋面豎向溫度梯度的影響，鋼箱梁橋面鋪裝厚度為70 mm，梯度溫度的取值為：T1=24℃，T2=14℃，T3=8℃，T4=4℃，T1＇=6℃。

（5）沖擊系數(shù)：按《公橋規(guī)》[8]第4.3.2 條取值。

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 靜力分析結(jié)果

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果提取截面的應(yīng)力、撓度、空間變形特征，得出承載能力極限狀態(tài)主梁上下緣最大正應(yīng)力包絡(luò)圖（見圖9）、汽車活載作用下的豎向位移示意圖（見圖10）。

圖9 承載能力極限狀態(tài)主梁最大正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MP a）

圖10 汽車活載作用下主梁位移包絡(luò)圖（單位：mm）

由計(jì)算結(jié)果可知，在承載能力極限狀態(tài)下，鋼梁的最大正壓應(yīng)力、最大正拉應(yīng)力均位于Z18# 橫梁與主梁相交處，壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.1×145.9≈160.5 MPa ＜270 MPa， 拉 應(yīng) 力 設(shè) 計(jì) 值 為1.1 ×147.5≈162.3 MPa＜270 MPa，滿足規(guī)范[6]要求。主梁最大撓度為13.8 mm，位于第3 跨跨中，撓跨比為1/209 4＜1/500，滿足規(guī)范[6]要求。

2.2.2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用特征值屈曲理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在恒載工況下，第1 類整體穩(wěn)定安全系數(shù)為94.8，表明本結(jié)構(gòu)具有很好的整體穩(wěn)定性。

2.3 不同橫梁高度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

Z16#、Z17#、Z18# 鋼橫梁的跨徑分別為36 m、35.5 m、34 m，各橫梁的跨徑均比主梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑28.9 m 大，橫橋向體系為第一受力體系，縱橋向受力體系為第二體系，橫梁的豎向剛度對(duì)本聯(lián)鋼箱梁的整體剛度影響較大。為得到較合理的橫梁剛度，對(duì)2.0 m、3.0 m、4.0 m 高橫梁進(jìn)行比選，如表1 所示。

表1 不同橫梁高度應(yīng)力及撓度驗(yàn)算表

從表1 可看出，橫梁高度為2.0 m 時(shí)的應(yīng)力設(shè)計(jì)值為356.6 MPa＞270 MPa，不滿足規(guī)范要求[7]；橫梁高度為3.0 m、4.0 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度均滿足要求，結(jié)合工程造價(jià)、橋下景觀等因素綜合考慮，橫梁高度采用3.0 m。

3 安裝方案及使用效果

3.1 主要施工步驟

主要施工步驟為如下：

（1）完成橋墩施工及支座安裝，工廠同時(shí)預(yù)制鋼橫梁及鋼主梁。

（2）Z16#、Z17#、Z18# 橫梁依次吊裝就位，并臨時(shí)固定。

（3）第1 跨主梁吊裝，并完成主梁與橫梁之間的焊接。

（4）依次吊裝第2、3、4 跨主梁，并完成主梁與橫梁之間的焊接。

（5）主梁梁端的壓重混凝土施工。

（6）Z16#、Z17#、Z18# 墩梁臨時(shí)固結(jié)解除。

（7）橋面系施工。

3.2 鋼梁安裝方案

綜合考慮鋼梁的制造、運(yùn)輸、吊裝等控制條件，本鋼梁共劃分為11 個(gè)吊裝節(jié)段，采用650 t 履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。

Z16#、Z17#、Z18# 鋼橫梁均采用1 個(gè)吊裝節(jié)段，各節(jié)段的寬度為6.5 m，高度為3.4 m ，最大長(zhǎng)度為39 m，吊重分別為175 t、179 t、173 t。

第1—4 跨鋼主梁在橫橋向均劃分為2 個(gè)吊裝節(jié)段，各節(jié)段的寬度為4.6 m，高度為1.82 m，最大長(zhǎng)度為27.3 m，最大吊重為68 t。考慮構(gòu)件的就位空間，各跨鋼主梁的吊裝順序?yàn)椋篈1→A2→B2→B1→C1→C2→D2→D1。

圖11 鋼梁安裝節(jié)段劃分圖（單位：m）

3.3 施工期間橫梁臨時(shí)固定措施

成橋狀態(tài)下，Z16#、Z17#、Z18# 等橫梁均設(shè)置2個(gè)永久支座，見本文第1.7 節(jié)。Z16#、Z17#、Z18# 等橫梁吊裝就位后，各橫梁的受力體系為簡(jiǎn)支梁，橫梁范圍內(nèi)的2 個(gè)永久支座所提供的約束存在dx、dy 方向的平動(dòng)及繞rx 側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)，需在各墩墩頂加焊與橫梁之間的固結(jié)鋼板作為臨時(shí)約束，待鋼主梁、鋼橫梁焊接形成整體后方可解除該臨時(shí)約束。

圖12 Z16# 橋墩吊裝完成后照片

3.4 使用效果

左主線第6 聯(lián)鋼梁于2018 年12 月安裝完畢，經(jīng)過3 年多的通車運(yùn)營(yíng)，使用效果良好。

4 結(jié)語

本文針對(duì)4×28.9 m 帶外伸橫梁的鋼箱梁橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

（1）城市橋梁受周邊條件限制往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用帶外伸橫梁的鋼箱梁橋是一種可行的解決方案。

（2）帶外伸橫梁的鋼箱梁橋空間效應(yīng)明顯，需采用空間分析模型進(jìn)行精細(xì)化分析，并根據(jù)分析結(jié)果采用相應(yīng)的構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)的安全。

（3）當(dāng)橫梁跨度較大時(shí)，需增加橫梁的截面高度以保證橋梁的整體剛度。

（4）鋼橫梁在吊裝就位后、與主梁焊接形成整體前，橫梁自身的穩(wěn)定性不滿足要求，需采用臨時(shí)約束措施以保證橫梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。