某跨河連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋結構設計

羅松濤，鄧淑飛，趙志剛

（云南省設計院集團有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，國家進一步加大了對基礎設施建設的投入，有力地促進了市政橋梁建設的發(fā)展。鋼箱梁自重輕、節(jié)約材料、安裝工藝簡單、便于養(yǎng)護維修、整體穩(wěn)定性好，近年來在我國得到了快速發(fā)展，此外，鋼箱梁一般不會出現局部破壞，在鋼材抗拉、抗壓、抗剪性能方面表現突出，受力性能和工作性能較好，發(fā)展前景廣闊［1］。本文通過Midas Civil空間梁單元建模，對某跨河連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋的結構變形、應力、抗傾覆、穩(wěn)定性等多方面進行計算分析。

1 工程概況

本項目某跨河連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋所跨河道常水位規(guī)劃標高8.0 m，河岸兩側設置有綠道，擬建橋位與路線正交，跨徑布置為19 m+40 m+19 m。本橋方案采用連續(xù)鋼箱梁橋，中跨為梁拱組合結構（兩邊拱為裝飾拱），下承式拱橋，橋長83 m，交角為90°，橋梁下部結構采用柱式墩、薄壁臺、樁基礎，橋臺全寬為32 m，橋墩為雙柱墩［2］。本橋總體布置如圖1，圖2所示。

圖1 橋型立面圖

圖2 橋梁典型橫斷面圖

2 上部結構設計

2.1 鋼箱梁

主梁采用單箱六室斷面，橋面全寬32 m，單側懸臂長6.65 m，橫向設置6個箱室，鋼主梁中心線處梁高1.3 m，梁頂面設雙向1.5%橫坡，均采用Q345qD材質［3］。

1）頂板。

縱梁頂板采用正交異性鋼橋面板，由橋面板縱肋、橫隔板及橋面板組成。根據受力需要，頂板采用16 mm厚度，橋墩處拱梁結合段局部加厚到20 mm。頂板根據受力需要設置在中間4個箱室范圍設置U肋，其余兩側設置板肋。U肋厚度8 mm，高280 mm，上口寬300 m，下口寬170 m，橫向標準間距600 m。板肋厚度14 mm，高140 mm，標準間距300 mm，400 mm。

2）底板。

根據受力需要，縱梁底板在橋墩處拱梁結合段局部加厚到20 mm，其余段落底板厚14 mm，具體構造詳見圖紙部分。底板設置板肋，板肋厚度14 mm，高140 mm，標準間距400 mm。

3）腹板。

邊腹板厚度為14 mm，在橋墩處拱梁結合段局部加厚到20 mm。腹板設置兩道板肋，縱向板肋距頂底板距離均為320 mm左右，板肋寬度14 mm，高140 mm。

4）橫隔板。

橫隔板基本間距2.0 m，標準板厚12 mm，拱梁結合處根據受力需要板厚設為20 mm。

橋面鋪裝層采用8 cm鋼纖維混凝土+10 cm瀝青混凝土，橋面鋪裝層總厚度為18 cm，行車道橋面兩側設置鋼護欄，人行道側設置不銹鋼護欄。鋼箱梁標準斷面見圖3。

圖3 1/2鋼箱梁標準橫斷面

2.2 主拱肋

拱肋采用單箱單室等截面鋼箱拱，截面寬度為1.2 m，截面高度為1.0 m。拱軸線在拱肋平面內為圓曲線，計算跨徑39.743 4 m，計算矢高為8.782 9 m，計算矢跨比4.525 1。

鋼拱肋截面厚度為20 mm，拱圈內部均采用Ⅰ型加勁肋，加勁肋高度為140 mm，鋼板厚度為16 mm。拱箱內，順橋向每隔0.75 m～1.4 m左右設置一道橫隔板，橫隔板平面與拱軸線垂直，常規(guī)段隔板厚度為12 mm，吊點位置厚度48 mm，常規(guī)段隔板中心采用挖空處理，便于后期檢修人員出入，吊點處橫隔板不挖空。挖空孔洞邊緣采用寬200 mm、厚度10 mm的鋼板包裹一圈進行加勁處理。在吊桿處另外設置吊桿加勁隔板，與吊桿軸線方向一致。

拱肋共分為7個節(jié)段，節(jié)段在工廠分段制造，安裝時采用焊接的連接方式。

主拱拱腳受力復雜，為保證結構安全，主拱拱腳與主梁端部作為一個整體設計，將主梁中箱腹板伸出梁體設計為節(jié)點板，充當主拱拱腳箱體的腹板。

2.3 下部結構設計

橋梁下構型式采用柱式墩、一字臺、樁基礎，橋臺全寬為32 m，橋臺背墻寬0.5 m，臺后設2.5 m長橋臺側墻，側墻寬0.5 m。橋墩為雙柱墩，墩身直徑由1.6 m按圓曲線漸變?yōu)?.6 m。

橋臺采用承臺+群樁基礎，單個橋臺設置兩排共計12根1.2 m樁基礎，樁長為26 m。橋墩采用承臺+樁基礎，單個橋墩共設置12根1.8 m樁基礎，樁長為38 m。

3 結構計算

3.1 主要計算參數

3.1.1 技術標準

1）設計荷載等級：城市-A級。

2）橋涵結構設計基準期：100 a。

3）橋梁設計安全等級：重要等級Ⅰ級，結構重要性系數γ0=1.1［4-5］。

3.1.2 荷載取值

1）恒荷載。

a.一期恒載：

一期恒載包括主梁自重，鋼材密度7 850 kg/m3，由程序自動計算其自重。

b.二期恒載：

二期恒載為人行道、人行道護欄、防撞護欄、18 cm橋面鋪裝（8 cm鋼纖維+10 cm瀝青）及聲屏障等，分別加載至鋼箱梁和調臂上。

2）溫度作用（見圖4）。

圖4 正、負溫差示意圖

a.正溫度梯度：按BS5400取值；正溫差：T1=24℃；h1=0.1 m，T2=14℃；h2=0.2 m，T3=8℃；h3=0.3 m，T4=4℃。

b.負溫度梯度：按BS5400取值；負溫差：h1=0.5 m，T2=6℃。

c.整體溫度：取整體升溫30℃，整體降溫30℃。

3）活載。

汽車、人群與非機動車道荷載按CJJ 11—2011城市橋梁設計規(guī)范（2019年版）取用。

4）支座沉降。

支座沉降量按5 mm計算，程序自動組合最不利情形。

5）風荷載。

按照JTG/T 3360-01—2018公路橋梁抗風設計規(guī)范計算，主梁風荷載為3 kN/m，主拱風荷載為5 kN/m。

3.2 計算模型

采用Midas Civil空間梁單元建模，單元數774，節(jié)點數796，拱肋與鋼箱梁采用剛性連接，支座節(jié)點與主梁對應節(jié)點之間剛性連接，并采用彈性連接模擬支座，單梁整體模型見圖5。

圖5 單梁計算模型

3.3 結構變形

根據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》［6］第4.2.3條，在不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值（頻遇系數為1.0），計算撓度值不應超過l/500。

如圖6所示，各跨在不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值作用下最大豎向撓度為3 mm，最小撓度為-5 mm，剛度為1/5 000；滿足規(guī)范要求。

圖6 汽車荷載頻遇值作用最小撓度

3.4 鋼箱梁應力

3.4.1 鋼箱梁第一體系應力

1）整體計算模型下，考慮結構重要性系數r0=1.1，按基本組合提取鋼箱梁各部位最大、最小應力值見表1。

表1 整體計算模型下鋼箱梁應力

由表1可知，基本組合作用下，鋼箱梁最大計算正應力為78.5 MPa，小于Q345qD鋼材抗彎強度設計值270 MPa；鋼箱梁最大剪應力62.8 MPa，小于Q345qD鋼材抗剪強度設計值155 MPa，鋼梁抗彎、抗剪強度滿足規(guī)范要求。

2）截面正應力的修正。

根據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》第5.1.7條相關條文，截面受壓翼緣應考慮局部穩(wěn)定影響；第5.1.8條，受拉或受壓翼緣應考慮剪力滯效應的影響。主要計算成果如下：

對受拉加勁板考慮剪力滯影響，對受壓板同時考慮局部穩(wěn)定影響、剪力滯影響。為方便計算，偏安全地，某一截面處局部穩(wěn)定折減系數、剪力滯折減系數取頂、底板計算結果中的較小值作為頂、底板的折減系數；此時，截面中性軸位置可近似視為不變。對兩邊跨、中跨跨中及兩中支點處進行修正，結果如表2所示。

表2 鋼箱梁上緣、下緣修正應力表

3）腹板正應力與剪應力共同作用。

根據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》5.3.1條第4款，平面內受彎實腹板式構件腹板在正應力σx與剪應力τ共同作用時，應滿足

近似取腹板最大正應力為130.0 MPa，剪應力取為62.8 MPa，則：

3.4.2 鋼箱梁第二體系應力

第二體系中，縱肋與橋面板支承于橫隔板上，并將自重及外力傳遞給橫隔板，橫隔板間距即為縱肋的跨度。本橋采用橋面板格子梁法計算在恒載、汽車荷載作用下縱肋的最不利應力，作為正交異性橋面板的第二體系應力，模型詳見圖7，圖8。

圖7 跨中附近格子梁法計算模型圖

圖8 支點附近格子梁法計算模型圖

3.4.3 鋼箱梁縱橋向總應力結果

鋼箱梁頂板所受縱橋向正應力共分為兩部分：第一體系應力（縱向計算應力）及第二體系應力（頂板縱肋計算應力），鋼箱梁底板僅受第一體系應力，綜合后鋼箱梁所受應力如表3所示。

表3 鋼箱梁上緣、下緣修正總應力表MPa

由表3可知，鋼箱梁總應力計算滿足規(guī)范要求。

3.5 拱肋應力

整體計算模型下，考慮結構重要性系數r0=1.1，按基本組合提取拱肋各部位最大、最小應力值如表4所示。

表4 整體計算模型下拱肋應力MPa

由表4可知，拱肋應力計算滿足規(guī)范要求。

3.6 吊桿驗算

由圖9可知，基本組合作用下，單根吊桿最大內力984.7 kN，吊桿規(guī)格為GJ15-12，吊桿破斷力為3 125 kN，安全系數3.17＞2.5，吊桿強度滿足規(guī)范要求。

圖9 基本組合下吊桿內力包絡圖

1）吊桿疲勞應力幅驗算。

根據JTG D64—2015公路鋼結構橋梁設計規(guī)范5.5.1，5.5.2，5.5.4條及附錄C進行吊桿疲勞應力幅驗算。

采用疲勞和在計算模型Ⅰ進行驗算，σmax=34.9 N/mm2，σmin=0，Δσp=34.9 N/mm2，ΔσD=50 N/mm2。

2）耳板驗算。

根據GB 50017—2017鋼結構設計標準11.6.2條，連接耳板兩側邊緣與銷軸孔邊緣凈距b=200 mm，次耳板板厚t2=24 mm，be=2×24+16=64 mm≤b，順受力方向，銷軸孔邊距板邊緣距離a=200 mm≥4/3be=85.33 mm，滿足構造要求。

根據GB 50017—2017鋼結構設計標準11.6.3條，驗算耳板抗拉及抗剪強度：

a.耳板孔凈截面處的抗拉強度：

3.7 抗傾覆計算

根據計算，本橋基本組合作用下未出現負反力，抗傾覆穩(wěn)定系數為4.68＞2.5，滿足規(guī)范要求。

3.8 穩(wěn)定計算

結合該橋的結構特點，對其進行穩(wěn)定性分析，大橋一階失穩(wěn)模態(tài)如圖10所示。

圖10 一階失穩(wěn)模態(tài)拱肋面外失穩(wěn)

大橋一階失穩(wěn)為拱肋外面失穩(wěn)，臨界荷載系數為126.9，大橋穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結語

本文介紹了一座19 m+40 m+19 m連續(xù)鋼箱梁下承式拱橋，得出以下結論：1）本次鋼箱梁第二體系應力采用格子梁法簡化計算，該方式計算結果與經驗值相近，具有一定的工程設計參考意義。2）通過對橋梁結構的有限元計算，表明在全橋施工階段及運營階段，該橋主梁、拱肋及吊桿受力均滿足規(guī)范要求。