武漢市沙湖大道大挑臂鋼箱梁受力分析

衛 超，郭俊峰，萬 送

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430015）

0 引 言

近年來，隨著國內經濟水平的提高，人們對生活的舒適性、交通的便捷性要求越來越高。作為市政工程建設設計領域的從業者，我們深感責任重大。近年，國內的眾多造型新穎、功能豐富的橋梁，如雨后春筍般呈現出來，為豐富城市界面、提升城市形象提供了多元化元素，也極大的方便了市民的生活。武漢市沙湖大道跨徐東大街工程就是這類工程的一個較為突出的例子。

沙湖大道跨徐東大街主橋采用67 m+96 m+67 m=230 m 連續鋼箱梁結構。其中67 m 邊跨橋寬16.5 m，挑臂3.4 m；96 m 主跨橋需要和慢行橋合建，橋梁寬度20.5 m，挑臂7.5 m，屬于特大挑臂結構。目前國內鋼結構采用如此大挑臂結構十分少見，結構構造處理和結構安全控制經驗較少，本工程可以為類似慢行橋和車行橋合建型的市政橋梁提供設計及安全控制上的借鑒意義。

1 工程概況

徐東大街和沙湖大道均為武漢市武昌區的重要道路，主干路標準，兩條主干路為平交路口，目前已經不能滿足交通的通行需求，亟需對平面交叉口進行升級改造。根據規劃，沙湖大道跨徐東大街以“主線跨線橋（單側幫寬慢行橋）+ 地面輔道”的方式建設，工程全長約1.13 km。橋梁建設需要考慮地下市政管線，盡量減少對現有管線的遷改。同時，沿徐東大道地面道路下布置有武漢市軌道交通8 號線，已經通車運營。橋梁設計和施工均需考慮盡量減少對軌道交通的影響。為保證徐東大街兩岸的行人過街，在沙湖大道和徐東大街交匯處，布置慢行橋，供行人和非機動車通行。橋梁夜景效果如圖1。

圖1 沙湖大道橋梁夜景

2 橋梁結構簡述

根據上述制約因素，跨越徐東大街處采用大跨變截面鋼箱梁結構。為便于設置慢行交通，避免重復建設基礎，優化城市界面，慢行橋采用和主橋局部合建、兩側分離建設的方式實施。上跨徐東大街的橋梁采用67 m+96 m+67 m=230 m 跨徑的變截面連續鋼箱梁，其中兩側67 m 邊跨為單體車行橋，96 m 主跨采用人行橋與車行橋合建。

連續鋼箱梁上部結構采用單箱雙室箱形截面，中支點處梁高4.5 m，邊支點處梁高2.3 m，梁底線形按圓曲線變化。邊跨橋面寬度為16.3 m，中跨橋面寬度為20.4 m（其中人行道寬度4 m），為保持主橋主受力體系的明確，保證腹板構造連續，橋面寬度變化通過箱梁挑臂加寬實現。主跨挑臂7.5 m。

鋼箱梁構造尺寸主要由結構受力確定，邊跨尺寸的確定受主跨尺寸影響，為保持整體外觀的一致性和美觀，鋼箱梁局部構造尺寸，特別是挑臂端部的構造，邊跨和主跨保持一致。鋼箱梁主要構造尺寸為：鋼箱梁頂板標準厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；底板標準厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；兩邊跨腹板及96 m 主跨的右側邊腹板和中腹板標準厚度16 mm，局部加厚至30 mm；96 m 主跨左側邊腹板標準厚度20 mm，局部加厚至32 mm。常規3.4 m 挑臂端部高度300 mm（和主跨保持一致），挑臂根部高度750 mm。主跨7.5 m 挑臂端部尺寸300 mm，挑臂根部高度1 500 mm。

邊跨橋梁典型橫斷面如下圖2，中跨橋梁典型橫斷面如下圖3（圖中尺寸橋寬未包含10 cm 外包護欄寬度）。

圖2 邊跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

圖3 中跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

3 鋼箱梁結構計算

3.1 鋼箱梁計算模型

采用橋梁結構空間計算程序Midas civil2019 計算，根據實際施工步驟確定計算工況。其中中跨4 m人行道加寬范圍，計算偏安全考慮，按照偏心荷載施加于主梁上后，分別按照考慮其截面范圍的縱向剛度貢獻和不考慮其剛度貢獻兩種計算模型進行分析，綜合取最不利包絡結果。

鋼箱梁的截面有效分布寬度根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015） 中相關規定進行計算。結構離散示意圖如下圖4 所示。

圖4 整體有限元模型結構離散圖

3.2 鋼箱梁施工階段計算

本橋梁設計采用轉體施工方案，轉體最大懸臂為71.5+64 m，兩側通過配重進行施工階段的整體平衡。考慮最不利情況，施工階段僅計算最大懸臂狀態，結果如下：

（1）施工階段最大懸臂狀態下，鋼箱梁最大拉應力為134 MPa，最大壓應力為195 MPa，均小于270 MPa，滿足規范安全要求。

（2）最大懸臂狀態，主梁在恒載作用下邊跨端點最大位移795 mm，中跨端點最大位移737 mm。轉體完成后，需采取頂升措施，將懸臂梁端頂升至設計位置后再進行梁段合攏。

（3）最大懸臂狀態下主梁穩定性

考慮轉體施工過程中，臨時T 構的兩側懸臂荷載的不平衡可能會引起臨時固結系統的受力不均勻，按照實際配重為設計配重的85%估算考慮。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時錨固最大拉力為1 971 kN；本項目采用PSB1080Φ50 mm精軋螺紋鋼臨時墩梁固結，考慮3 倍的安全系數，精軋螺紋鋼最大抗拉強度為4×588=2 352 kN＞1 971 kN，滿足要求。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時錨固支座最大壓力為9 348 kN；本項目采用兩對800×800 mm 臨時支座系統，混凝土最大壓應力為7.3 MPa，滿足要求。

3.3 鋼箱梁運營階段計算

本橋鋼箱梁頂板及底板主梁的彎曲應力極值為：頂板最大拉應力為194.4 MPa，最大壓應力為-158.9 Pa，底板最大拉應力為254.1 MPa，最大壓應力為-196 Pa；均滿足相應材質的強度設計要求。具體計算結果如表1。

表1 計算應力計算結果表

3.4 鋼橋面板局部受力分析

鋼橋面板局部受力，主要計算第二體系應力，及鋼箱梁懸臂應力計算。

（1）有限元模型

使用有限元軟件建模分析，橫隔板及U 形加勁肋采用板殼單元模擬，為了避免邊界條件對局部分析的影響，縱橋向取三跨9 m 進行計算，本模型計算參數均取自該鋼箱梁橋設計圖標準梁段。

（2）計算假設及作用荷載

計算時假設鋼板和鋪裝層完全連續，鋪裝材料為線彈性材料，且計鋪裝、護欄聲屏障等結構自重的影響。模型的約束條件如下：端部橫隔板及底板完全約束。根據規范，車輪與鋪裝接觸面積為600 mm（橫橋向）×200 mm（順橋向），同時考慮170 mm 鋪裝層的對輪載擴散作用，擴散角度按照45°考慮，車輛的后軸重140 kN，如此作用在鋼橋面板上的壓力為0.216 MPa，乘以沖擊系數1.3，得到作用在鋪裝層上的壓力為0.285 MPa。幾何模型見圖5，有限元模型見圖6。

圖5 幾何模型

圖6 有限元模型

（3）橋面板局部計算結果

計算考慮車輪實際加載情況，計算多種工況，U肋和挑臂最不利計算，如圖7～圖10 所示。

圖7 頂板順橋向應力云圖（單位：MP a）

圖8 頂板橫橋向應力云圖（單位：MP a）

圖9 U 形加勁肋順橋向應力云圖（單位：MP a）

圖10 橫梁挑臂板等效應力云圖（單位：MP a）

由局部分析模型計算結果可知：

a. 頂板順橋向最大壓應力-33.3 MPa，最大拉應力35.7 MPa；橫橋向最大壓應力-39.8 MPa，最大拉應力59.7 MPa；最大等效應力為52.5 MPa。

b. U 形加勁肋順橋向最大壓應力-28.4 MPa，最大拉應力32.4 MPa；最大等效應力為51.6 MPa。

c. 橫梁懸臂根部下緣板最大橫橋向應力-82.9MPa。

d. 活載下挑臂邊緣最大豎向撓度為4.9 mm＜7 500/300=25 mm，滿足要求。

3.5 結論

（1）經計算分析可知，該橋在施工階段受力及穩定性均滿足要求。

（2）鋼箱梁彎曲應力：綜合該鋼箱梁橋第一體系（整體計算）和第二體系（局部計算）結果：頂板最大拉應力為194.4+35.7=230.1 MPa，最大壓應力為158.9+33.3=192.2 Pa；底板最大拉應力為254.1 MPa，最大壓應力為-196 Pa；均滿足相應材質的設計強度要求。（Q345qD 鋼材設計強度270 MPa,Q420qD 鋼材設計強度320 MPa）[1]。

（3）鋼箱梁橫橋向局部分析結果：橫梁懸臂根部下緣最大應力82.9 MPa＜270 MPa,挑臂邊緣最大撓度4.9 mm＜25 mm，應力及剛度均滿足規范要求。

4 結 語

通過計算，大懸臂鋼箱梁結構受力滿足規范要求。目前沙湖大道跨徐東大街橋梁工程正如火如荼的進行中，橋梁將于2021 年底建成通車。城市高架橋中，人行天橋和城市橋梁合建將會越來越多，此橋梁的建設經驗，將為類似橋梁建設提供借鑒。