現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中鋼箱梁的完整性設(shè)計(jì)分析

劉 凡

(江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

我國(guó)的橋梁工程技術(shù)在最近幾年里得到快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各類橋梁當(dāng)中，滿足了橋梁使用需要。當(dāng)橋梁加入鋼結(jié)構(gòu)后，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性造成一定影響，為保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，并提高安全性和可靠性，可在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用完整性設(shè)計(jì)的方法，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

1 工程概況

某橋梁工程位于快速路上，是一座高架橋，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，縱坡不超過5%，車行道橫坡為1.5%。該橋跨路口處采用的是鋼箱梁，梁高3.2 m，梁寬為18.3 m和25.3 m，頂板設(shè)有雙向2%橫坡。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段的頂板和底板厚度分別為16 mm和20 mm，中心支點(diǎn)位置處局部加厚到22 mm。為確保該橋梁鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在具體設(shè)計(jì)中采用完整性設(shè)計(jì)的方法。

2 現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中鋼箱梁的完整性設(shè)計(jì)

2.1 鋼箱梁一般設(shè)計(jì)流程

在鋼箱梁的設(shè)計(jì)過程中，習(xí)慣性流程為：根據(jù)跨徑選取合適的梁高→根據(jù)平面劃分箱室→進(jìn)一步確定加勁肋的間距和類型→進(jìn)行主梁第一體系縱向計(jì)算、橋面板第二體系計(jì)算、隔板剛度和橫梁的計(jì)算、挑梁、整體抗傾覆以及其他的構(gòu)件計(jì)算。下面選取部分在設(shè)計(jì)中比較重要且容易忽略的設(shè)計(jì)內(nèi)容，具體闡述。

2.2 抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

本工程中，主線橋上部主要構(gòu)件的板厚尺寸見表1。

表1 主線橋構(gòu)件板厚

在鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)過程中，要了解現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定要求，并明確相關(guān)的影響因素，據(jù)此采取合理的設(shè)計(jì)措施，避免傾覆問題的發(fā)生。

2.2.1 規(guī)范規(guī)定

國(guó)家現(xiàn)行的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中，僅對(duì)橋梁設(shè)計(jì)中的禁止制作脫空做出明確的規(guī)定要求。

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ D64—2015)中規(guī)定：

(1) 在作用基本組合下，單向受壓支座之中保持受壓狀態(tài)；

(2) 當(dāng)整聯(lián)只采用單向受壓支座支撐時(shí)，應(yīng)符合下式要求：

式中：γqf為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；∑Sbk，i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk，i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的基本作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。通過對(duì)箱梁橋的傾覆過程全面分析后發(fā)現(xiàn)，傾覆的開始基本上都是由于側(cè)支座脫空所致，上部結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生改變，所以要確保支座不會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)值組合下出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。橋梁鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)中，有鋼板以密集的形式鋪在梁體的受壓翼緣上且可靠連接，可以起到阻止梁受翼緣側(cè)向位移，或是梁受壓翼緣的自由長(zhǎng)度與寬度的比在表2規(guī)定的數(shù)值以內(nèi)時(shí)，可以不對(duì)梁的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

表2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件無須計(jì)算整體穩(wěn)定性的取值

2.2.2 跨數(shù)對(duì)抗傾覆的影響

跨數(shù)對(duì)橋梁的抗傾覆系數(shù)具有一定的影響，通過計(jì)算可以掌握影響的趨勢(shì)。當(dāng)橋跨增加時(shí)，端部支座的反力會(huì)發(fā)生變化。為便于研究，僅采用恒載與車輛荷載的組合，通過試驗(yàn)得出如下結(jié)果：橋梁結(jié)構(gòu)從1跨增加至5跨時(shí)，整體抗傾覆性能得到顯著提升。橋梁為1跨時(shí)，抗傾覆系數(shù)為1.9，小于規(guī)范要求的2.5，若是將橋梁設(shè)計(jì)為1跨，則勢(shì)必會(huì)傾覆倒塌；當(dāng)橋梁增加為2～3跨后，傾覆系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，但在重載車輛的影響下，橋梁仍然存在傾覆的可能；橋梁增至5跨時(shí)，出現(xiàn)最大的支座負(fù)反力，此時(shí)的抗傾覆系數(shù)最大。

2.2.3 抗傾覆設(shè)計(jì)措施

為有效避免鋼箱梁橋出現(xiàn)傾覆倒塌的情況，可在鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)中，采取如下抗傾覆措施：

(1) 鋼箱梁橋本身的自重相對(duì)較輕，使得橋梁結(jié)構(gòu)提供的抗傾覆反力不足，抗傾覆穩(wěn)定性明顯弱于混凝土橋。因此，在橋梁完整性設(shè)計(jì)中，要確保橋梁有足夠的抗傾覆力矩抵抗偏載作用。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要合理確定單跨跨徑，不宜過大。

(2) 鋼箱梁橋中最容易發(fā)生脫空的是梁端的內(nèi)側(cè)支座，為鋼箱梁配置壓重，并在構(gòu)造允許的前提下，設(shè)置抗拉支座。同時(shí)，選擇耐久性高的支座，以避免頻繁更換。

2.3 關(guān)鍵構(gòu)件完整性設(shè)計(jì)

對(duì)于鋼箱梁橋而言，比較重要的構(gòu)件包括翼緣板、腹板以及橫隔板等，為達(dá)到整體性的設(shè)計(jì)要求，可依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，具體如下：

2.3.1 翼緣板設(shè)計(jì)

當(dāng)鋼箱梁的懸臂部分在設(shè)計(jì)時(shí)不設(shè)置加勁肋，要保證受壓翼緣板伸出的肢寬不超過其本身厚度的12倍，而受拉翼緣板伸出的肢寬不得超過其自身厚度的16倍。同時(shí)按照規(guī)范要求，為翼緣板設(shè)置縱向加勁肋，如腹板的間距為翼緣板厚度80倍時(shí)，必須設(shè)置縱向加勁肋，且受壓翼緣板懸臂部分的板端外緣加勁肋必須選擇剛性加勁肋。

2.3.2 腹板設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)鋼箱梁中以受彎剪為主的腹板及其加勁肋時(shí)，腹板的剪應(yīng)力應(yīng)當(dāng)滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，采用閉口截面腹板時(shí)，可以按照剪力流理論對(duì)腹板的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要特別注意的是，腹板橫向加勁肋的間距應(yīng)當(dāng)不超過腹板高度的1.5倍。在設(shè)計(jì)以受壓為主的腹板及加勁肋時(shí)，受壓加勁板應(yīng)當(dāng)選擇剛性加勁肋，若是構(gòu)造的布設(shè)困難程度比較大且受力相對(duì)較小時(shí)，可以采用柔性加勁肋。

2.3.3 橫隔板設(shè)計(jì)

在鋼箱梁橫隔板設(shè)計(jì)期間，當(dāng)橫隔板位于支點(diǎn)處時(shí)，形心要從支座反力的合理作用點(diǎn)通過，并在橫隔板支座位置處成對(duì)布設(shè)豎向加勁肋，確保設(shè)置的加勁肋與現(xiàn)行規(guī)定要求相符，布設(shè)完畢后，要對(duì)橫隔板及加勁肋的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。設(shè)計(jì)過程中要注意人孔應(yīng)當(dāng)設(shè)置在支座范圍以外的部分，而非節(jié)點(diǎn)位置處的橫隔板除了要具有足夠的強(qiáng)度和剛度之外，還要采用角焊縫與頂?shù)装搴透拱蹇煽窟B接。

2.4 焊接完整性設(shè)計(jì)

2.4.1 焊接結(jié)構(gòu)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，焊接是主要的連接方式之一，通過可靠的焊接，能夠使鋼結(jié)構(gòu)的完整性得到保障。為避免橋梁結(jié)構(gòu)損壞的情況發(fā)生，必須保證鋼結(jié)構(gòu)的完整性，這既是前提也是基礎(chǔ)。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微的損傷又未能及時(shí)修復(fù)，長(zhǎng)時(shí)間使用就會(huì)使原本輕微的損傷持續(xù)發(fā)展，這種情況在應(yīng)力集中的區(qū)域最為明顯。預(yù)防這一問題的有效途徑就是保證焊接結(jié)構(gòu)的完整性，可將重點(diǎn)放在以下方面：

(1) 要保證所選的母材與焊接材料之間的性能高度匹配，以增強(qiáng)可焊性；

(2) 針對(duì)鋼箱梁進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，必須充分考慮各種外界因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，減少并避免焊接缺陷的產(chǎn)生；

(3) 鋼結(jié)構(gòu)焊接必須以確保質(zhì)量為前提，達(dá)不到質(zhì)量要求必須返工重做；

(4) 橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)當(dāng)按照表3中的規(guī)定要求選用；

表3 鋼結(jié)構(gòu)焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

備注：焊縫的質(zhì)量等級(jí)應(yīng)與現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205—2020)的要求相符。

(5) 鋼結(jié)構(gòu)容易受到腐蝕，尤其是焊縫部位，因此要做好防腐措施。

2.4.2 焊接完整性設(shè)計(jì)

鋼箱梁橋的運(yùn)行性能與受力狀況存在密切的關(guān)聯(lián)，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接完整性設(shè)計(jì)中，要從工程實(shí)際的角度出發(fā)，制定科學(xué)合理、切實(shí)可行的焊接方案，選擇適宜的焊接方法，消除受力狀況對(duì)橋梁運(yùn)行性能產(chǎn)生的不利影響，為橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性提供保障。在鋼結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計(jì)中，要以疲勞特性和抗裂標(biāo)準(zhǔn)作為主要依據(jù)，分析影響焊接質(zhì)量的因素，采取有針對(duì)性的措施解決處理；焊接設(shè)計(jì)要遵循簡(jiǎn)便的原則，為后續(xù)施工提供便利。

3 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中鋼箱梁的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，為使鋼結(jié)構(gòu)的作用得以全面發(fā)揮，并最大限度地降低鋼結(jié)構(gòu)加入后對(duì)橋梁整體性的影響。在橋梁鋼箱梁設(shè)計(jì)中，對(duì)完整性設(shè)計(jì)方法加以合理運(yùn)用，將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在抗傾覆、關(guān)鍵構(gòu)件及焊接等方面。未來一段時(shí)期，要加大對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究力度，通過優(yōu)化改進(jìn)，使其更好地為橋梁設(shè)計(jì)服務(wù)。