帶外伸橫梁的鋼箱梁橋設計實踐

肖 春，李旭彪，王文建，馬 超

（1.中恒工程設計院有限公司，四川 成都 610017；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030；3.成都空港城市發展集團有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市高架橋以其占地少、受周邊交通干擾小等優點，對緩解城市交通壓力起了很大作用，已成為現代交通體系中的重要一環。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，當高架橋中心線與橋下道路的交角較小，或橋墩的布設受河道、地鐵、地下管線等限制時，采用外伸橫梁是一種有效辦法。

帶外伸橫梁的連續梁橋在國內外已有應用案例，尚延剛[1]研究了武漢市唐家墩立交橋A 匝道AL3聯連續梁，采用大跨帶外伸鋼橫梁同時跨越二環路、姑嫂樹主線高架及唐家墩地鐵站的設計思路，解決了因空間限制無法布置橋墩的難題。程偉[2]結合上海松江有軌電車T2 線工程，研究了具有外擴橫梁的鋼箱梁總體設計，分析了外擴橫梁與主梁交叉區域的受力，探討了該聯鋼箱梁的施工分段及吊裝方案。羅來洋[3]結合惠州金愷大道A 匝道4×30 m 帶外伸橫梁的預應力混凝土連續箱梁，對該橋縱向主梁的內力分布、結構設計、支承反力等進行了研究，為該橋的設計提供了一些有益的建議。

1 橋梁設計

1.1 橋梁總體布置

成都市鳳凰山高架橋左主線橋為既有北星高架橋與鳳凰山高架橋之間的連接通道，其起點采用拓寬橋接北星高架橋，終點接鳳凰山高架橋主線，全長902.8 m，標準寬度9 m。其中第6 聯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點[4]。本節點處的建設條件為：

（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，左、右幅橋之間的凈距為3.5 m，單幅橋寬13.5 m，該橋于2007 年建成通車。

經綜合考慮，本聯采用跨徑布置為4×28.9 m 的連續鋼箱梁，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 上跨節點平面示意圖（單位：m）

圖2 左主線第6 聯橋立面圖(單位：m）

圖3 典型橫斷面圖（單位：m）

1.2 技術標準

（1）道路等級：城市快速路。

（2）設計車速：60 km/h。

（3）橋梁設計安全等級：一級。

（4）設計荷載：城-A 級。

（5）抗震等級：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 下部結構布置

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。基礎均采用承臺+ 樁基礎，樁徑D=1.8 m。

Z15#、Z19# 分聯墩均采用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。基礎均采用承臺+ 樁基礎，樁徑D=1.5 m（見圖4）。

圖4 鋼箱梁平面構造圖（單位：m）

1.4 鋼主梁構造

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、板肋進行縱向加勁，底板、腹板采用板式加勁肋進行縱向加勁。主梁內普通橫隔板的標準間距為3 m，在普通橫隔板之間設次隔板，在支座位置處設支座橫隔板。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 箱主梁標準橫斷面圖（單位：mm）

1.5 鋼橫梁構造

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。橫梁節間內普通橫隔板間距為3 m，在普通橫隔板之間設次隔板，支座位置設支座橫隔板。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 橫梁標準橫斷面圖（單位：mm）

1.6 主梁及橫梁相交段構造

主梁與橫梁相交段采用如下構造：

（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，在橫梁內不設置。

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。為適應橫梁的較大轉角，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

為防止支座出現負反力，在鋼主梁梁端6.26 m長度范圍內的箱室底部澆筑C25 素混凝土進行壓重，壓重混凝土Z15# 橋墩側高度為60 cm、Z19# 橋墩側高度為45 cm。

1.9 預拱度設置

預拱度采用結構自重與1/2 活載之和，根據計算結果，在Z16#、Z17#、Z18# 橫梁的跨中分別設15 mm、22 mm、23 mm 的向上預拱度，第1—4 跨主梁跨中分別設置10 mm、17 mm、26 mm、19 mm 的向上預拱度。

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）+ 防水粘結層。

2 結構分析

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明顯，需采用空間分析模型進行精細化分析以保證結構安全。采用Midas Civil 有限元程序進行結構整體的靜力分析，橋墩、主梁、橫梁均采用梁單元模擬。共劃分為330 個節點，309 個單元，如圖8 所示。

圖8 整體有限元分析模型

2.1.2 荷載

（1）普通鋼筋混凝土構件重度為25 kN/m3，瀝青混凝土重度為24 kN/m3，鋼結構重度為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：成都位于溫熱地區，鋼橋的最高有效溫度標準值為46℃，最低有效溫度標準值為-9℃，合攏溫度在15±3℃之間，因此合攏后結構的整體升溫采用34℃，整體降溫采用27℃。

（4）鋼橋面豎向梯度溫度效應：參照英國規范BS-5400[7]的規定來計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：按《公橋規》[8]第4.3.2 條取值。

2.2 分析結果

2.2.1 靜力分析結果

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

圖9 承載能力極限狀態主梁最大正應力包絡圖（單位：MP a）

圖10 汽車活載作用下主梁位移包絡圖（單位：mm）

由計算結果可知，在承載能力極限狀態下，鋼梁的最大正壓應力、最大正拉應力均位于Z18# 橫梁與主梁相交處，壓應力設計值為1.1×145.9≈160.5 MPa ＜270 MPa， 拉 應 力 設 計 值 為1.1 ×147.5≈162.3 MPa＜270 MPa，滿足規范[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，滿足規范[6]要求。

2.2.2 整體穩定性驗算

采用特征值屈曲理論對結構進行穩定性分析。在恒載工況下，第1 類整體穩定安全系數為94.8，表明本結構具有很好的整體穩定性。

2.3 不同橫梁高度對結構的影響分析

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準跨徑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，橫梁的豎向剛度對本聯鋼箱梁的整體剛度影響較大。為得到較合理的橫梁剛度，對2.0 m、3.0 m、4.0 m 高橫梁進行比選，如表1 所示。

表1 不同橫梁高度應力及撓度驗算表

從表1 可看出，橫梁高度為2.0 m 時的應力設計值為356.6 MPa＞270 MPa，不滿足規范要求[7]；橫梁高度為3.0 m、4.0 m 時，結構的應力、撓度均滿足要求，結合工程造價、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，工廠同時預制鋼橫梁及鋼主梁。

（2）Z16#、Z17#、Z18# 橫梁依次吊裝就位，并臨時固定。

（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# 墩梁臨時固結解除。

（7）橋面系施工。

3.2 鋼梁安裝方案

綜合考慮鋼梁的制造、運輸、吊裝等控制條件，本鋼梁共劃分為11 個吊裝節段，采用650 t 履帶式起重機進行吊裝。

Z16#、Z17#、Z18# 鋼橫梁均采用1 個吊裝節段，各節段的寬度為6.5 m，高度為3.4 m ，最大長度為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 個吊裝節段，各節段的寬度為4.6 m，高度為1.82 m，最大長度為27.3 m，最大吊重為68 t。考慮構件的就位空間，各跨鋼主梁的吊裝順序為：A1→A2→B2→B1→C1→C2→D2→D1。

圖11 鋼梁安裝節段劃分圖（單位：m）

3.3 施工期間橫梁臨時固定措施

成橋狀態下，Z16#、Z17#、Z18# 等橫梁均設置2個永久支座，見本文第1.7 節。Z16#、Z17#、Z18# 等橫梁吊裝就位后，各橫梁的受力體系為簡支梁，橫梁范圍內的2 個永久支座所提供的約束存在dx、dy 方向的平動及繞rx 側傾的風險，需在各墩墩頂加焊與橫梁之間的固結鋼板作為臨時約束，待鋼主梁、鋼橫梁焊接形成整體后方可解除該臨時約束。

圖12 Z16# 橋墩吊裝完成后照片

3.4 使用效果

左主線第6 聯鋼梁于2018 年12 月安裝完畢，經過3 年多的通車運營，使用效果良好。

4 結語

本文針對4×28.9 m 帶外伸橫梁的鋼箱梁橋進行了設計，結論如下：

（1）城市橋梁受周邊條件限制往往結構復雜，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明顯，需采用空間分析模型進行精細化分析，并根據分析結果采用相應的構造措施以保證結構的安全。

（3）當橫梁跨度較大時，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，橫梁自身的穩定性不滿足要求，需采用臨時約束措施以保證橫梁結構的穩定性。