主跨85m連續窄幅鋼箱組合梁設計思路

胡祥森，黃 亮，余茂峰

(浙江數智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

窄幅鋼箱組合梁通過縮小箱室寬度來增加翼緣板厚度，從而減少頂底板縱向加勁肋的數量并省略其橫向加勁板，同時配合采用耐久性好的鋼混組合橋面板或預應力混凝土橋面板來增大橋面板的跨徑并省去橋面板小縱梁，是一種能夠大幅減少構件數量的合理化橋梁。由于其具有構件特別是箱內構件大幅減少、制造方便，鋼主梁輕型化、便于運輸和安裝，受力合理、曲線及變寬適應能力強等特點，符合工廠化、標準化、機械化的綠色公路理念，所以窄幅鋼箱組合梁在國外特別是日本得到了推廣應用；但目前窄幅鋼箱組合梁在國內應用很少，尚在探索階段；國內關于窄幅鋼箱組合梁的資料很少，相關文獻屈指可數。有鑒于此，本文擬通過闡述柯諸高速公路(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁的設計思路及詳細情況，供類似工程參考，也為國內窄幅鋼箱組合梁的快速推廣出力。

1 工程概況

柯諸高速采用高架橋形式上跨蘭店快速路；蘭店快速路現狀寬17m，遠期預留27m，與主線右交角約32°；經研究需要85m跨徑跨越。跨越處柯諸高速路基標準寬度33.5m，主線采用分幅式斷面，單幅橋寬16.25m。設計采用(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁以左右幅錯孔布置形式跨越蘭店快速路，輔以大節段吊裝+支架拼裝的施工方案，做到施工期間不中斷交通。

2 結構設計

2.1 斷面形式

單幅橋寬16.25m，橋跨布置為(50+85+50)m，主梁采用窄幅鋼箱-混凝土組合梁，橋面板采用鋼混組合橋面板。

窄幅鋼箱組合梁針對各種橋寬可以靈活布置，但為充分發揮其結構優勢，一般來說應盡量拉大主梁間距，并配合使用鋼混組合橋面板以減輕橋面板重量。鋼混組合橋面板的跨徑通常不超過6m，且懸挑長度不應超過主梁間橋面板跨徑的0.4倍。

基于上述考慮，本橋合理的斷面布置如圖1所示。橋梁采用三主梁結構，箱室寬度1.4m，挑臂長度1.5m，箱間凈距4.525m，鋼箱中心距5.925m。各鋼箱之間通過箱間橫梁進行連接，箱上鋼混組合橋面板跨中及挑臂外側厚250mm，在箱頂范圍內加厚至350mm，上設100mm瀝青鋪裝。

圖1 橋梁典型斷面示意(單位:mm)

2.2 箱室寬度

窄幅鋼箱組合梁區別于常規鋼箱組合梁的重要因素就是箱寬，即鋼箱梁腹板間距；窄幅鋼箱梁的腹板間距是該結構的關鍵，關系到結構構造的合理化。考慮到安裝、制造及檢修時箱內的操作空間，腹板最小間距應不小于1.2m；箱寬增加，一般會引起結構用鋼量增加。

考慮到本橋跨徑較大，中支點處支承加勁及橫梁對頂板的設置情況較復雜，本橋窄幅鋼箱梁的腹板間距取為1.4m。

2.3 梁高

鋼主梁的經濟梁高一般為最大跨徑的1/20～1/30，連續梁較簡支梁梁高可以稍低些。合理的邊中跨比(0.5～0.8)時，一般由中跨跨中控制設計；邊中比較小時，邊跨對中跨的卸載作用較小，跨中梁高可取高一點；邊中跨比較大時，跨中梁高可取低一點。本橋邊中跨比0.588；鋼主梁梁高取為跨中高2.8m，中支點高3.8m，高跨比分別為1/30.4、1/22.4；考慮0.35m橋面板厚后，主梁全高跨中3.15m，中支點處4.15m；在中支點附近9.75m范圍內梁高采用直線進行過渡。

2.4 板件厚度

箱梁頂底板厚度一般由受力驗算確定。對于不控制設計的區域，為了充分發揮窄幅鋼箱梁的優勢，從取消受拉區頂底板縱向加勁肋并保證運輸及安裝過程中的局部穩定的角度出發，箱梁頂底板最小厚度不應小于箱室腹板間距的1/80；對本橋來說，箱梁頂底板最小厚度不應小于1400/80≈18mm。另外，從加工制造的便利性出發，應盡量控制頂底板厚度小于50mm；從充分發揮鋼材的受力性能來說，宜將大多數板件厚度控制在40mm以內。

腹板厚度首先應滿足規范規定的最小厚度，并在剪力較大的中支點區域加厚以滿足抗剪要求。

為盡量減少箱內構件，發揮窄幅鋼箱梁的優勢，方便加工制造，箱梁頂底板的設置應省略橫肋，并只在受壓區設置1～2道縱肋。

本橋鋼箱梁的板件厚度在16～46mm不等，鋼梁頂、底板縱向在受壓區均設置一道板肋，除了中墩附近梁高加高段腹板在受壓區設置兩道水平加勁肋外，其余鋼梁腹板均在相應受壓區設置一道水平加勁肋。主梁鋼材均采用Q355D鋼材。

2.5 箱內橫隔板

箱內橫隔板的作用是防止截面產生過大的變形，提高截面抗扭能力并傳遞箱間橫梁的附加應力等。根據日本公路鋼結構橋梁設計指南，本橋箱內隔板間距可不大于6m；同時根據相關研究，為盡量減少箱梁翹曲變形，宜在中跨跨中位置設置一道橫隔板[1]。從制造、運輸及架設角度考慮，一個鋼梁節段的橫隔板數不宜少于2個，由于鋼主梁的節段長度通常在10～12m左右，故本橋箱內橫隔板的間距宜在5m左右。

當設置實腹式橫隔板時，根據以往工程經驗及計算情況，隔板的剛度富裕較大，應力一般也不控制設計，故跨間橫隔板的板厚可取12mm左右，支點橫隔板一般需要加厚，具體需根據驗算情況確定。

本橋箱間橫隔板在跨中區域每隔5～6m設置一道，在中支點附近適當加密，并在中支點、邊支點及中跨跨中特定位置處設置。本橋跨間橫隔板厚度采用12mm，邊支點橫隔板厚16mm，中支點橫隔板厚30mm。為方便檢修，除支點外，在箱內橫隔板上均開設人洞。

2.6 箱間橫梁

箱間橫梁的作用是在架設時保持結構形狀、減少主梁之間的相對撓度差、傳遞橫向荷載及通過橫向分配荷載來減少單個主梁的受力以及提高整個橋梁的扭轉剛度等。由于鋼混組合梁設置了較強大的混凝土頂板，故在架設后，橫梁傳遞橫向荷載及橫向分配荷載的作用大大減少。從施工角度考慮，一個主梁節段內應設置一根箱間橫梁；從傳力的角度出發，箱間橫梁應設置在箱內橫隔板對應位置。

本橋在支點處及跨間間隔10m左右設置一道箱間橫梁，橫梁均采用工字型截面。

2.7 抗剪連接件

抗剪連接件起到將鋼主梁和橋面板組合在一起共同工作的關鍵作用。根據既有工程實踐，栓釘連接件是性能較為優越的柔性連接件。受橋面板混凝土收縮等影響，組合橋梁端結合面受到的縱向剪力會明顯增大；另外，在中支點附近，由于豎向剪力較大，引起局部區域的結合面剪力也較大；故，在梁端部及中支點處應對抗剪連接件進行加強。梁端部加強范圍可取主梁間距和主梁跨徑的1/10中的較小值，中支點加強范圍可根據計算情況確定[2]。

本橋剪力釘采用圓頭栓釘，規格為Φ22×200mm，一般段縱向間距為250mm，在梁端約7m范圍及中支點左右各5m范圍內加密至125mm；橫向間距2×100mm，緊靠箱梁腹板內側布置。

2.8 組合橋面板設計

窄幅鋼箱組合梁秉持少主梁、窄箱室的理念，所以其橋面板跨徑一般較大，并多采用預應力混凝土橋面板或鋼混組合橋面板。本橋采用鋼混組合橋面板，其由底鋼板、連接件與現澆混凝土構成，具有結構合理、跨越能力強、經濟性耐久性好等優點。

一般地，組合橋面板的跨中最小厚度(含底鋼板),hc=25Lc+110>160(mm)，式中，Lc為橋面板中跨跨徑；計算得到的hc應以厘米為單位向上取整。當懸挑長度不大于0.4Lc且小于2.5m時，懸臂部位橋面板厚度可以同樣取為hc。橋面板底鋼板的厚度一般為6～9mm。鋼混組合橋面板的剪力連接件主要有開孔板+穿孔鋼筋、栓釘+加勁板、型鋼開孔板、鋼筋格構剪力連接件等四種，最常用的為開孔板+穿孔鋼筋剪力連接件，當橋面變寬較大引起穿孔鋼筋施工困難時，可采用栓釘+加勁板剪力連接件。

本橋鋼混組合橋面板由鋼面板和現澆混凝土組成；底鋼板(厚8mm)、側端板、開孔板加勁肋及其余金屬固定或支承件共同組成鋼面板，然后在鋼面板之上現澆混凝土，混凝土與鋼面板通過開孔板(設Φ22穿孔鋼筋)等橫向抗剪連接件實現結合。鋼面板采用在工廠分段制作、運至現場吊裝后用高強螺栓拼接，鋼面板可作為橋面板混凝土澆注時的底模，從而實現無支架無模板施工。

組合橋面板單幅標準寬度為16.25m，懸臂長為1.5m。橋面板跨中及懸臂外側厚度(含底鋼板)為250mm，與鋼梁連接處厚度為350mm。其典型斷面如圖2所示。

圖2 組合橋面板斷面示意(單位:mm)

3 結構驗算

3.1 有限元模型

采用橋梁博士V4.4建立梁格空間模型進行結構驗算，鋼梁與混凝土板間用剛臂連接，有限元模型如圖3所示。汽車荷載采用公路—Ⅰ級，活載按實際橋面布置并采用影響面進行加載，支座不均勻沉降按1/3000橋梁跨徑考慮，組合橋面板容重按27kN/m3計入，其余恒活載按實際情況及規范規定考慮[3]。計算時考慮板件局部穩定折減及頂底板剪力滯效應折減[4]，中墩墩頂左右各0.15倍跨徑(13m)范圍內橋面板按開裂截面考慮，鋼主梁與橋面板間剪力連接件按實際輸入并按規范規定考慮層間滑移[5]。

圖3 全橋有限元模型

3.2 施工階段

按施工過程計算時主要劃分為8個施工階段：

(1)搭設支架進行鋼主梁吊裝。

(2)鋼主梁節段間焊接。

(3)鋼主梁間橫梁連接。

(4)拆除臨時支架。

(5)正彎矩區橋面板安裝、澆筑。

(6)正彎矩區橋面板起強并澆筑負彎矩區橋面板。

(7)負彎矩區橋面板起強并施工橋面系。

(8)成橋十年。

3.3 鋼主梁驗算結果

根據圖4～圖8，基本組合下：鋼梁上緣最大拉應力248.1MPa，最大壓應力243.3 MPa，下緣最大拉應力239.1MPa，最大壓應力250.5 MPa，均滿足規范規定的260/270MPa限值；主梁組合最大剪力7146.3kN，最小剪力3870.1kN，均小于主梁抗剪承載力28600kN；鋼主梁腹板折算最大應力247.1 MPa，滿足規范規定的1.1×270=297MPa限值。

圖4 基本組合鋼主梁上緣應力包絡圖

圖5 基本組合鋼主梁下緣應力包絡圖

圖6 基本組合最大剪力及鋼主梁抗剪承載力包絡圖

圖7 基本組合最小剪力及鋼主梁抗剪承載力包絡圖

圖8 基本組合鋼主梁腹板折算應力圖

3.4 抗剪連接件驗算結果

如圖9所示，基本組合下結合面最大剪力3417.6kN，出現在梁端，對應處的結合面抗剪承載力6597.3kN，其他位置結合面抗剪承載力均大于相應處的結合面剪力效應，滿足要求。如圖10所示，>正常施工極限狀態標準組合下結合面最大滑移值0.119mm<0.2mm。

圖9 基本組合連接件抗剪驗算圖

圖10 標準組合下結合面滑移驗算圖

3.5 橋面板驗算結果

如圖11所示，橋面板縱向最大裂縫寬度出現在中墩墩頂，為0.116mm，縱向抗裂滿足相關要求。

圖11 頻遇組合橋面板裂縫寬度驗算圖

鋼混組合橋面板為橫向單向板，將底鋼板等效為同等面積的鋼筋，偏保守考慮不計橫向開孔板的作用，經橫向輪載驗算，橋面板受力滿足要求。

4 中支點負彎矩抗裂控制措施

大跨連續鋼混組合梁中支點負彎矩區域橋面板易出現裂縫，負彎矩區抗裂常用的方法有施加預應力法、支點強迫位移法、采用超高性能混凝土法、壓重法、柔性連接件組合法[6]、調整施工工序法等。施加預應力法對鋼梁內力有影響，且工序較復雜；以抗拔不抗剪剪力釘為代表的柔性連接件組合法，從實際應用情況來看，一般用于60m以下的中小跨徑組合梁中；對于施加預應力和強迫位移法，部分學者認為，隨著時間的推移，其施加的預加力效應會逐漸消失[7]。

對于大跨徑連續鋼混組合梁，壓重法代價高，施工復雜；強迫位移法需要頂升及落梁的位移較大；若采用超高性能混凝土則成本較高。從本橋有關驗算及實踐情況來看，對于大跨徑連續鋼混組合梁，采用調整施工工序法，先澆注正彎矩區橋面板混凝土后再澆注負彎矩區(中支點左右各0.15倍跨徑范圍)橋面板混凝土，基本不增加成本及工序，施工方便，并可以較好地控制中支點負彎矩區橋面板的應力水平和裂縫寬度，完全能滿足使用要求。

5 結語

結合柯諸高速上跨蘭店快速路處的(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁工程實例，全面介紹了窄幅鋼箱組合橋梁斷面形式和箱寬的擬定、梁高及板件厚度的選擇、橫隔板及橫梁的設置及抗剪連接件的選用，并著重介紹了鋼混組合橋面板的設計；進一步地，對結構的驗算結果進行了介紹，表明(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁結構強度、剛度及抗剪連接件、組合橋面板等均滿足規范要求，結構安全可行；最后，文章討論了適合大跨連續鋼混組合梁中支點負彎矩區的抗裂控制措施。

窄幅鋼箱組合梁是一種合理化的橋梁結構，具有制造、運輸及安裝方便、受力合理、曲線及變寬適應能力強等諸多優點，符合工廠化、標準化、機械化的綠色公路理念，但在國內的應用很少，尚在探索階段；鑒于窄幅鋼箱組合梁及組合橋面板在國內的資料較少，本文的介紹可供類似工程參考，并有望為結構的推廣應用助力。