寒冷地區(qū)中等跨徑連續(xù)鋼箱梁橋設(shè)計分析

聶玉東，張靜元，王瑞琪

（1.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱150080；2.內(nèi)蒙古大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)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(qū)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(jié)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(dǎo)致的鋼梁用鋼量增加問題[1]。另外，鋼橋設(shè)計時采用經(jīng)濟(jì)梁高可以減少鋼材用量，節(jié)約材料費(fèi)用。因此，設(shè)計時對鋼橋用鋼量進(jìn)行分析，確定鋼橋經(jīng)濟(jì)梁高至關(guān)重要。

本文按鋼箱梁各板件均采用符合規(guī)范要求的最小板厚的設(shè)計原則，對寒冷地區(qū)4×30 m、4×40 m和4×50 m 連續(xù)鋼箱梁進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計橋?qū)挒?3.25 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(jīng)濟(jì)梁高及用鋼量變化情況，從而為寒冷地區(qū)中等跨徑鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xù)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(jīng)濟(jì)，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(cè)懸臂翼緣寬度取2.2 m，內(nèi)側(cè)腹板相距4.65 m。

1.2 梁高

連續(xù)鋼箱梁的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jù)規(guī)范，從經(jīng)濟(jì)性、安全性以及節(jié)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?qū)挼倪B續(xù)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(yōu)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(biāo)準(zhǔn)梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段的頂板、底板和腹板根據(jù)各自梁段的受力特性以及強(qiáng)度設(shè)計值來調(diào)整板厚設(shè)計值；經(jīng)過不斷優(yōu)化，使鋼箱梁各板件厚度的設(shè)計更加經(jīng)濟(jì)合理。

2.1 計算參數(shù)和控制應(yīng)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(hù)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(xiàn)行規(guī)范取值。

鋼箱梁的頂板、底板和腹板的強(qiáng)度設(shè)計值采用《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）第3.2.1 條中對應(yīng)不同厚度的鋼材抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度設(shè)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(yīng)力，頂板的強(qiáng)度設(shè)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(gòu)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(shè)計

鋼箱梁腹板除了必須滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》中表5.3.3 對縱、橫向加勁肋最小厚度的要求，其余設(shè)計參數(shù)還必須滿足該規(guī)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(xù)梁腹板加勁肋設(shè)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(shè)置在腹板受壓區(qū)。鋼箱梁高在2 m 以下時不設(shè)置；鋼箱梁高在2～3 m 時設(shè)置1 道；鋼箱梁高大于3 m 時設(shè)置2 道。

4 鋼箱梁橫隔板設(shè)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(shè)置，厚度14 mm，跨間隔板厚度10 mm。2 道橫隔板間設(shè)置1 道小橫梁，小橫梁按工字梁設(shè)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(guān)系

鋼箱梁總用鋼量與跨徑、梁高的關(guān)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(xù)鋼箱梁用鋼量指標(biāo)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(zhì)量占比。由表4 可知：當(dāng)跨高比L/l 為20 時，鋼箱梁頂板板件的質(zhì)量占整個箱梁質(zhì)量的49%～59%；底板板件的質(zhì)量占整個箱梁質(zhì)量的15%；腹板板件的質(zhì)量占整個箱梁質(zhì)量的15%～24%；橫隔板板件的質(zhì)量占整個箱梁質(zhì)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(nèi)力增量計算

在北方寒冷地區(qū)，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(jīng)過內(nèi)力計算和組合后發(fā)現(xiàn)，采用組合鋪裝方案后，30～50 m 跨徑連續(xù)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(jù)增加后的彎矩及剪力，按符合規(guī)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(xù)鋼箱梁進(jìn)行再設(shè)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(xù)鋼箱梁用鋼量隨跨徑、梁高的變化規(guī)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(jīng)濟(jì)梁高，用鋼量指標(biāo)最小，跨徑30 m、40 m、50 m鋼箱梁的用鋼量指標(biāo)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(dǎo)致鋼箱梁用鋼量增加。將表5 與表4 對比可知：（1）當(dāng)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(yīng)力富余較大，即使荷載增大，鋼箱梁截面應(yīng)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(dāng)跨高比L/l 為20 時，即經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(jié) 語

（1）對中等跨徑連續(xù)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(gòu)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(xù)鋼箱梁用鋼量隨跨徑、梁高的變化規(guī)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(jīng)濟(jì)梁高，用鋼量指標(biāo)最小，跨徑30 m、40 m、50 m 鋼箱梁的用鋼量指標(biāo)分別為294 kg/m2，324 kg/m2，356 kg/m2。

（4）當(dāng)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(dāng)跨高比為20 時，鋼箱梁用鋼量增加2%左右；當(dāng)跨高比為25 時，鋼箱梁用鋼量增加6%左右。