寒冷地區中等跨徑連續鋼箱梁橋設計分析

聶玉東，張靜元，王瑞琪

（1.黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱150080；2.內蒙古大學 生態與環境學院，內蒙古 呼和浩特010040）

0 引 言

我國南方省份溫差較小，鋼橋橋面鋪裝普遍采用瀝青混凝土橋面鋪裝方案。北方寒冷地區溫差較大，鋼橋橋面鋪裝若采用瀝青混凝土方案，其與鋼橋面的結合耐久性差；若采用先鋪筑防水混凝土，再鋪筑瀝青混凝土的組合鋪裝方案，則可能存在因荷載增大導致的鋼梁用鋼量增加問題[1]。另外，鋼橋設計時采用經濟梁高可以減少鋼材用量，節約材料費用。因此，設計時對鋼橋用鋼量進行分析，確定鋼橋經濟梁高至關重要。

本文按鋼箱梁各板件均采用符合規范要求的最小板厚的設計原則，對寒冷地區4×30 m、4×40 m和4×50 m 連續鋼箱梁進行設計，設計橋寬為13.25 m；橋面鋪裝采用2 種方案，分別為7.5 cm 瀝青混凝土鋪裝方案和10 cm 水泥混凝土+10 cm 瀝青混凝土的組合鋪裝方案，以便分析2 種鋪裝方案鋼箱梁橋的經濟梁高及用鋼量變化情況，從而為寒冷地區中等跨徑鋼箱梁橋的結構設計及橋面鋪裝方案的確定提供參考。

1 鋼箱梁截面輪廓尺寸的確定

1.1 翼緣寬度

對30～50 m 跨徑鋼箱連續梁，截面單箱寬度在2.0 m 左右時接近全寬有效，截面較為經濟，受力性能也較好。另外，鋼箱梁截面懸臂翼緣寬度一般情況下取1.0～2.5 m，且左右翼緣板寬度對稱。綜合考慮，本文鋼箱梁采用雙箱單室截面，單箱寬度取2.1 m，外側懸臂翼緣寬度取2.2 m，內側腹板相距4.65 m。

1.2 梁高

連續鋼箱梁的經濟梁高一般為L/30～L/20（L 為跨徑）[2]。本文選擇梁高l 分別為L/25、L/20、L/15 進行研究分析，具體為1.2 m、1.5 m、2.0 m（跨徑30 m時）；1.6 m、2.0 m、2.7 m（跨徑40 m 時）；2.0 m、2.5 m、3.3 m（跨徑50 m 時）。

1.3 頂、底板U 肋

鋼箱梁的頂、底板加勁肋均采用U 形加勁肋，截面尺寸為：梯形上開口寬度300 mm，下開口寬度180 mm，高度260 mm，厚度8 mm。

1.4 橫隔板間距

鋼箱梁橋跨徑為30～50 m 時，根據規范，從經濟性、安全性以及節段的劃分等方面考慮，橫隔板間距擬定為5 m。

本文13.25 m 橋寬的連續鋼箱梁橫斷面布置示意圖見圖1。

圖1 橫斷面布置示意圖（單位：m）

2 鋼箱梁板件厚度的優化

將鋼箱梁主梁劃分為邊支座、邊跨間、中支座及中跨間4 個標準梁段，標準梁段的頂板、底板和腹板根據各自梁段的受力特性以及強度設計值來調整板厚設計值；經過不斷優化，使鋼箱梁各板件厚度的設計更加經濟合理。

2.1 計算參數和控制應力

鋼箱梁采用Q345E 鋼材，鋼材容重取78.5 kN/m3；橋面鋪裝材料為厚7.5 cm 的瀝青混凝土；鋼箱梁的防撞護欄選擇鋼筋混凝土材料，每延米荷載為10 kN；汽車荷載采用公路I 級；溫度、支座變位等其他荷載按現行規范取值。

鋼箱梁的頂板、底板和腹板的強度設計值采用《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）第3.2.1 條中對應不同厚度的鋼材抗壓、抗拉和抗剪強度設計值[3]。由于頂板直接受到車輪荷載的作用，考慮到第二體系應力，頂板的強度設計值再減去50 MPa作為安全富余量。

2.2 鋼箱梁板件厚度確定

箱梁頂板厚度變化不大，一般為14 mm，底板與腹板厚度則隨著跨徑L 的不同有變化。不同跨徑箱梁底板、腹板厚度表見表1、表2[4]。由表1、表2 可知，隨著跨徑的減小或梁高的增大，底板厚度及腹板厚度一般均減小，減小到構造厚度（8 mm 或10 mm）時則不再變化。

表1 不同跨徑箱梁底板厚度表 單位：mm

表2 不同跨徑箱梁腹板厚度表 單位：mm

3 鋼箱梁腹板加勁肋設計

鋼箱梁腹板除了必須滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》中表5.3.3 對縱、橫向加勁肋最小厚度的要求，其余設計參數還必須滿足該規范中式5.3.3-1～式5.3.3-6 的要求。通過計算，得到30～50 m 跨徑鋼箱連續梁腹板加勁肋設置形式如下：

腹板橫向加勁肋板厚12 mm，板寬144 mm，間距為1.0 m。

腹板縱向加勁肋板厚10 mm，板寬120 mm，設置在腹板受壓區。鋼箱梁高在2 m 以下時不設置；鋼箱梁高在2～3 m 時設置1 道；鋼箱梁高大于3 m 時設置2 道。

4 鋼箱梁橫隔板設計

鋼箱梁橫隔板間距5.0 m，分為端隔板、跨間隔板。端隔板在支座處設置，厚度14 mm，跨間隔板厚度10 mm。2 道橫隔板間設置1 道小橫梁，小橫梁按工字梁設計，梁長與橋梁全寬一致，工字梁腹板高600 mm，腹板厚度10 mm；翼緣板寬度240 mm，厚度10 mm。

5 用鋼量計算

5.1 鋼材用量與跨徑、梁高關系

鋼箱梁總用鋼量與跨徑、梁高的關系見表3。

由表3 可知：（1）鋼箱梁的用鋼量一般隨著跨徑的增大而增大；（2）鋼箱梁的用鋼量一般在跨高比L/l為15 時最大，在跨高比L/l 為20 及25 時基本相同；（3）鋼箱梁跨高比為20 時截面用鋼量較小，跨徑30 m、40 m、50 m 連續鋼箱梁用鋼量指標為289 kg/m2、319 kg/m2、347 kg/m2。

表3 鋼箱梁用鋼量表

5.2 鋼材用量組成分析

鋼箱梁由頂板板件（包括頂板及其加勁肋，下同）、底板板件、腹板板件及橫隔板板件組成[5]，表4為不同跨徑、不同梁高下的鋼箱梁各板件質量占比。由表4 可知：當跨高比L/l 為20 時，鋼箱梁頂板板件的質量占整個箱梁質量的49%～59%；底板板件的質量占整個箱梁質量的15%；腹板板件的質量占整個箱梁質量的15%～24%；橫隔板板件的質量占整個箱梁質量的11%～12%。

表4 鋼箱梁板件用鋼量占比

6 采用組合鋪裝鋼箱梁用鋼量的增量計算

6.1 內力增量計算

在北方寒冷地區，中等跨徑鋼橋橋面一般采用10 cm 水泥混凝土+10 cm 瀝青混凝土的組合鋪裝方案[6]，這時橋面鋪裝重量較7.5 cm 瀝青混凝土鋪裝方案增加3.1 kN/m2。經過內力計算和組合后發現，采用組合鋪裝方案后，30～50 m 跨徑連續鋼箱梁截面彎矩組合值較瀝青混凝土鋪裝方案增加22%～24%，剪力組合值增加21%～28%[7]。

6.2 用鋼量計算

根據增加后的彎矩及剪力，按符合規范要求且用鋼量最少的原則，對4×30 m、4×40 m 和4×50 m連續鋼箱梁進行再設計，得到總用鋼量見表5。由表5 可知：采用組合鋪裝方案后，連續鋼箱梁用鋼量隨跨徑、梁高的變化規律與采用瀝青混凝土鋪裝方案時相同。在鋼箱梁跨高比L/l 為20 時，截面梁高為經濟梁高，用鋼量指標最小，跨徑30 m、40 m、50 m鋼箱梁的用鋼量指標分別為294 kg/m2，324 kg/m2，356 kg/m2。

6.3 用鋼量的增加量計算

采用組合鋪裝后，由于荷載增大，導致鋼箱梁用鋼量增加。將表5 與表4 對比可知：（1）當跨高比L/l為15 時，采用組合鋪裝后，荷載增大，鋼箱梁用鋼量的增加量卻很小，基本為零。這是由于鋼箱梁梁高較大時，鋼箱梁截面應力富余較大，即使荷載增大，鋼箱梁截面應力也不超限，基本不用增加鋼箱梁板件厚度；（2）采用組合鋪裝后，當跨高比L/l 為20 時，即經濟梁高情況下，鋼箱梁用鋼量的增加量為5 ～8 kg/m2，相對瀝青混凝土橋面鋪裝，用鋼量增加2%左右；（3）采用組合鋪裝后，當跨高比L/l 為25 時，即梁高較小情況下，鋼箱梁用鋼量的增加量為17～21 kg/m2，相對瀝青混凝土橋面鋪裝，用鋼量增加6%左右。

表5 組合鋪裝鋼箱梁用鋼量表

7 結 語

（1）對中等跨徑連續鋼箱梁，隨著跨徑的減小或梁高的增大，鋼箱梁頂板厚度變化不大，一般為14 mm，鋼箱梁底板厚度及腹板厚度一般均減小，減小到構造厚度（8 mm 或10 mm）時則不再變化。

（2）鋼箱梁的用鋼量一般隨著跨徑的增大而增大。

（3）采用組合鋪裝方案后，連續鋼箱梁用鋼量隨跨徑、梁高的變化規律與采用瀝青混凝土鋪裝方案時相同。在鋼箱梁跨高比為20 時，截面梁高為經濟梁高，用鋼量指標最小，跨徑30 m、40 m、50 m 鋼箱梁的用鋼量指標分別為294 kg/m2，324 kg/m2，356 kg/m2。

（4）當跨高比為15 時，采用組合鋪裝后，荷載增大，鋼箱梁用鋼量的增加量很小，基本為零；當跨高比為20 時，鋼箱梁用鋼量增加2%左右；當跨高比為25 時，鋼箱梁用鋼量增加6%左右。