钢箱梁在高速公路路基改桥中的运用

高丽 任廷飞

摘要：以观云大道下穿环城高速（K73+000～K75+088.8）互通改建工程为研究对象，介绍了主线桥及B匝道钢箱梁桥的构造、设计要点，并采用Midas软件建立空间有限元模型，在基本组合下的应力、挠度、抗疲劳性能等进行了分析计算，可为同类桥梁设计提供参考。

关键词：钢箱梁;有限元;分析计算

1 工程概况

观云大道下穿环城高速（K73+000～K75+088.8）互通改建工程位于贵阳市白云区，由于贵阳市白云区观云大道下穿环城高速（K73+000～K75+088.8）段，将对环城高速城（K73+000～K75+088.8）段进行路基开挖，使环城高速（K73+000～K75+088.8）段以桥梁方式上跨观云大道，同时为保持环城高速畅通运行，需修建环城高速主线便道以及贵黔高速匝道A和匝道B便道工程，即观云大道下穿环城高速（K73+000～K75+088.8）互通主线便道工程设计为一级公路建设标准，设计时速80公里/小时，路基宽度拟定为24m，主线全长1.118981Km，匝道A与匝道B便道工程设计为二级公路建设标准，设计速度40 km/h，路基宽度拟定为8.5m，匝道A全长0.403532Km，匝道B全长0.375405Km。同时增加必要的安全设施。

主线桥起点桩号K72+999.800，终点桩号K73+085.800，上部构造为2×35m等高变宽箱梁，分幅布置，下部构造桥台均为重力式U型桥台，桩基础，桥墩均为圆形墩，桩基础。桥面现浇层为8cm等厚C50改性聚丙烯纤维砼，桥面铺装层为10cm等厚沥青砼。桥梁全长为8m+2×35m+8m=86m，斜交角度20度。

B匝道桥起点桩号BK0+269.763，终点桩号BK0+355.763，上部构造为2×35m等高等宽箱梁，下部构造桥台均为重力式U型桥台，桩基础，桥墩均为圆形墩，桩基础。桥面现浇层为8cm等厚C50改性聚丙烯纤维砼，桥面铺装层为10cm等厚沥青砼。桥梁全长为8m+2×35m+8m=86m，斜交角度17度。

2 设计标准[1]

（1）公路等级：一级。

（2）设计速度：80km/h。

（3）路基宽度：24m（临时便道的主线）;8.5m（临时便道的匝道）。

（4）路面宽度：23m（临时便道的主线）;7.5m（临时便道的匝道）。

（5）路面类型：沥青混凝土路面。

（6）最大纵坡：1.7%（临时便道的主线）;3.611%（临时便道的匝道）。

（7）平曲线最小半径R一般=400米（临时便道的主线）;平曲线最小半径R一般=255米（时便道的匝道）。

（8）设计汽车荷载等级：公路-I级。

3 设计要点

3.1 孔跨及桥型

3.1.1 主线桥

全桥孔跨布置为2×35m等高变宽预应力混凝土连续箱梁，桥面标准宽度为净（0.5m+11.5m+0.5m）+（0.5m+11.5m+0.5m）+1.0m+=25.0m，桥梁全长86.0m。

3.1.2 B匝道桥

全桥孔跨布置为2×35m等高等宽预应力混凝土连续箱梁，桥面标准宽度为净0.5m+9.5m+0.5m=10.5m，桥梁全长86.0m。

3.2 上部构造

3.2.1 主线桥

桥梁上部结构采用预应力砼现浇箱梁结构，梁高2.0m。

箱梁构造及主要尺寸：箱梁分左右两幅，分幅布置，左幅变宽16.96m～23.88m，单箱三室渐变为单箱四室结构，右幅等宽12.5m，单箱双室结构。顶板厚25cm～50cm，底板厚22cm～47cm，腹板厚50cm～100cm，两侧悬臂长各200cm。支承点均设一道横梁，端支点横梁厚150cm，中支点横梁厚250cm。箱梁每跨中部设置一道横隔板，横隔板厚30cm。箱梁采用C50混凝土。[2]

3.2.2 B匝道桥

桥梁上部结构采用预应力砼现浇箱梁结构，梁高2.0m。

箱梁构造及主要尺寸：箱梁等宽10.5m，单箱双室结构。顶板厚25cm～50cm，底板厚22cm～47cm，腹板厚50cm～100cm，两侧悬臂长各200cm。支承点均设一道横梁，端支点横梁厚150cm，中支点横梁厚250cm。箱梁每跨中部设置一道横隔板，横隔板厚30cm。箱梁采用C50混凝土。

3.3 下部构造

桥台均采用重力式U型桥台，承台桩基础，桩径1.8m;桥墩均采用直径为1.6m圆柱墩，桩基础，桩径1.8m。

桩基要求嵌入中风化基岩不小于3倍桩径，并要求桩端基岩单轴抗壓强度不小于8.0MPa。

4 B匝道计算

总体静力计算采用Midas Civil 2015建立全桥梁格模型，如图4所示。横向在每个腹板对应位置建立纵梁，两个挑臂端部分别建立虚拟纵梁，全桥共3片纵梁。横向在隔板位置建立横向梁格。

4.1 应力计算结果

4.1.1 组合一计算结果

最大弯曲应力为-177.57MPa<270MPa，满足规范要求。

最大剪切应力为97.82MPa<155MPa，满足规范要求。

4.1.2 组合二计算结果

最大弯曲应力为-177.22MPa<270MPa，满足规范要求。

最大剪切应力为97.67MPa<155MPa，满足规范要求。

4.2 变形计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第4.2.3条，挠度计算时荷载为不计冲击力的车道荷载频遇值，频遇值系数取1.0，计算结果如下：

最大变形为27.4mm<35000/500=70mm，满足规范要求。

4.3 预拱度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第4.2.4条，变形计算时，荷载组合为恒载标值值+1/2活载标准值，计算结果如下：

预拱度为44.64mm。

4.4 支座加劲板计算

承载极限状态组合下，支反力计算如下：

根据计算结果，支座始终保持受压状态，满足（JTG D64-2015）第4.2.2条规定。

边支座最大反力值为2029.3KN，根据根据规范5.3.4条：

γ0RVAs+BebtwSymbolcB@fed

γ02RVAs+BevtwSymbolcB@fd

As=400×20×6=48000mm2

Beb=B+2（tf+tb）=800+2×（16+20）=872mm（支座钢板取800mm）

202930048000+872×16=32.76SymbolcB@355MPa，满足规范要求。

腹板厚16mm，24×16=384mm>300mm（加劲板间距），故Bev=（Ns-1）bs+24tw=（3-1）×300+24×16=984mm

2×202930048000+984×16=63.67SymbolcB@270MPa，满足规范要求。

中支座最大反力值为4502.6KN，根据规范5.3.4条：

Beb=B+2（tf+tb）=800+2×（16+20）=872mm

As=400×20×8=64000mm2

450260064000+872×16=57.76SymbolcB@355MPa，满足规范要求。

腹板厚16mm，24×16=384mm>300mm（加劲板间距），故Bev=（Ns-1）bs+24tw=（4-1）×300+24×16=1284mm

2×450260064000+1264×16=106.92SymbolcB@270MPa，满足规范要求。

4.5 抗倾覆计算

恒载作用下，支反力计算如下：

桥梁全长70m，根据《城市桥梁设计规范》第10.0.2条，标准重车为700KN，车辆长18m，则：

70/18=3.89，按纵向布置4辆重车计算。

道路左侧挑臂至边支座中心距离为2.80m，则单侧倾覆力矩为700×（2.8-0.5-1.8/2）×4=3920KN.m

恒载自重值为：7079.3KN，重心距边支座为2.45m，则抗倾覆力矩为：

7079.3×2.45=17344.3KN.m;

則17344.3/3920=4.4>2.5

故抗倾覆满足规范要求。

4.6 抗疲劳验算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）第4.1.7条：钢结构构件抗疲劳设计时，除特别指明外，各作用应采用标准值，作用分项系数应取为1.0。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第5.5.2条，疲劳荷载应符合下列规定：疲劳荷载计算模型I型采用等效的车道荷载，集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3qk。

箱梁轴向应力幅值：27.34+22.39=49.73MPa<0.737×110/1.35=60.05MPa，满足规范要求。

5 结语

2016年7月13日交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，近几年钢结构桥梁发展迅速，未来几年可以预见会有钢结构桥梁（包括钢箱梁、钢桁梁、钢混组合梁等）的建设高潮。[3]本文从设计及有限元计算上分析钢箱梁的特点，希望给类似桥梁设计提供设计上的参考。

参考文献：

[1]公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）.

[2]苏彦江.钢桥构造与设计[M].成都：西南交通大学出版社，2006.

[3]贾高炯.钢箱梁桥设计.人民交通出版社，2016.