大跨度曲线简支钢箱梁设计及受力分析

叶坚波

(福州市规划勘测设计研究总院 福建福州 350108)

0 引言

在城市快速发展进程中，互通式立交在城市交通中起到了至关重要的作用，随着路网密度的不断发展，难免出现在已修建的城市快速路或高速路上方修建跨越式桥梁。由于受到桥下构造物的影响，如采用普通的预应力钢筋混凝土结构，需要搭设大型的临时支架系统，施工时间长，从而加大被交路的交通倒改难度和时间，影响被交路交通通行效率，且施工过程对周边环境影响较大。而钢箱梁则在工厂制造，现场安装，施工质量得到保证，对周边的环境影响小。同时其自身重量小，高跨比小，结构轻盈且施工简便，更加适合应用于城市桥梁中[1]。

基于此，为对其他类似桥梁设计提供借鉴，本文拟以福州市北向第二通道工程为例，介绍其设计及受力分析。

1 工程概述

福州市北向第二通道工程园中枢纽互通位于福州东区水厂与上浦岭村之间，主要实现国道G104线、新店片区与福州市三环快速路及辅路的交通转换，其中三环路为既有快速通达，交通流量大，行车速度快。本次案例桥梁就位于园中互通C匝道，C匝道上跨三环快速路，匝道宽9m，为单车道匝道。

相交处三环快速路宽45.6m，相交处位于三环快速路上浦岭大桥桥台处，无法在中央分隔带设置永久性桥墩，故只能采用一跨跨越三环快速路，经综合比较后，上跨三环速C4～C5联采用1m～58m简支钢箱梁，其与三环快速路交角为80°，位于R=150m圆曲线上。该联桥梁平面图如图1所示。

图1 C匝道平面图

2 钢箱梁设计方案

C4～C5联简支钢箱梁梁宽9m，为单箱双室结构，由于处于道路超高段，横坡大，横断面采用梁底水平设置，横坡通过箱梁顶板结构设置，箱梁中心梁高2.8m，为跨径的1/21。钢箱梁底板设计厚度为28mm，底板厚度为25mm，腹板跨中厚14mm，支点处加厚为20mm，加厚长度为4m。钢箱梁上部两侧各设1500宽挑臂，挑臂下翼缘板件截面为200mm×12mm，挑臂处横隔板为12mm。箱梁顶板下设置T形和板式加劲肋；底板上设T形加劲肋。腹板设板式加劲肋及竖向加劲肋，板式加劲肋截面140mm×12mm；腹板竖向加劲肋间距以道路中心线为基准，按2m标准间距布置。横隔板间距以道路中心线为基准，按2m标准间距布置横隔板，与腹板竖向加劲肋间距1m，中间横隔板厚14mm。端支点横梁的腹板厚度为24mm，端支点支座间距为7m。钢箱梁断面如图2～图3所示。

图2 钢箱梁跨中断面

图3 钢箱梁端支点断面

3 钢箱梁计算模型

进行钢梁整体强度、刚度验算分析时，采用Midas/Civil软件。计算模型采用建立单梁模型，模拟施工阶段，边界条件按照实际设置，空间分析计算模型如图4所示。

图4 计算模型

桥梁荷载包括：①自重(包括横隔板、腹板竖向加劲肋等，转化为梁单元均布荷载，并考虑由钢箱梁内外侧质量不均匀分布而产生的扭矩)；②二期荷载(铺装及混凝土护栏)；③汽车荷载及冲击力(城-A级，按两车道最不利布置)；④温度荷载(梯度温度及整体升降温)；⑤汽车离心力；⑥汽车制动力；⑦支座沉降(取10mm)。

4 钢箱梁计算分析

4.1 钢梁正应力验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第5.3.1 条的规定进行受弯构件抗弯承载能力验算，计算结果如图5～图6所示。

图5 基本组合主梁上缘应力图(MPa)

图6 基本组合主梁下缘应力图(MPa)

该基本组合下主梁最大拉应力为190MPa，出现在跨中下缘附近；最大压应力为165Mpa，出现在跨中上缘附近。主梁应力计算时，考虑剪力滞和局部稳定影响，钢梁最大拉应力为209MPa，钢梁的最大压应力为181.5MPa，钢材拉压应力容许值均为270MPa，均满足规范要求。

4.2 腹板剪应力验算

在基本组合作用下对钢箱梁截面腹板剪应力进行验算，结果如图7所示。

图7 基本组合主梁剪力图(MPa)

从图7可以看出，基本组合下主梁剪应力最大值为96MPa，满足规范要求。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]5.3.3-1条的规定，腹板设置一道横向加劲肋和一道纵向加劲肋时，腹板最小厚度：ηhw/240=2627/240=11mm，该桥腹板厚度支点加厚段采用20mm，跨中采用14mm，均满足规范要求。

4.3 支点横梁验算

纵向腹板将荷载传递至端横梁，横梁再传递至支座，横梁为横向受弯构件，按简支梁模拟，计算原理按照恒荷载纵向由腹板传导至横梁，以集中荷载的方式加载；活载按照单列车道产生的活载反力在横梁车道范围内自动布载。端支点横梁截面翼缘板考虑顶底板作用，翼缘宽度分别取24倍顶底板板厚。经计算，端支点横梁下缘最大拉应力为151MPa，上缘最大压应力为140MPa，腹板最大剪应力为76MPa，均满足规范要求。

4.4 挠度验算及预拱度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第4.2.3条规定，验算汽车荷载作用下的挠度。汽车荷载作用下的竖向位移图如图8所示。

由图8可见，活载最大挠度绝对值为42mm，为跨度58m的1/1360，规范容许值为1/500，满足规范要求。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第4.2.4条规定，主梁预拱度设置大小为恒载标准值加1/2车道荷载频遇值产生的挠度，频遇值系数为1.0。主梁挠度如图9所示。

图9 结构自重标准值+1/2车道荷载频遇值产生的挠度(mm)

由图9可知，跨中预拱度取跨中挠度的最大值156mm，其它位置处按抛物线设置。

4.5 抗倾覆验算

钢箱梁自重轻，恒载反力较混凝土小，支座在最不利荷载下有脱空可能。该桥跨径大，平曲线半径小，曲线梁在扭矩与竖向荷载的共同作用下，弯扭耦合效应明显，在弯扭共同作用下，当车道荷载偏置布置时，弯桥内侧支座极有可能出现脱空，抗倾覆问题不容忽视[4]。

小半径桥梁，由于曲线内外侧质量分布影响，桥梁内侧支座恒载反力较外侧小，当半径一定时，跨径越大这种支座反力分配不均现象越明显，需要通过采取一些措施来减轻这种现象[3]。该桥为简支梁桥，仅有两端支座提供抗扭效应，因此采取以下两种措施：

(1)尽量拉大两端支座的支座间距，即在支座反力一定的情况下贡献更大的抗扭效应。

(2)梁端采用无收缩混凝土压重，加大恒载作用下内侧支座反力，避免内侧支座产生脱空。

因此，在总体设计上通过以上两种措施，避免倾覆的发生。

进行抗倾覆验算时，在曲线外侧布置车道，根据该桥横向宽度，分别按曲线外侧布置1个车道与2个车道，根据支座反力影响线布载，取失效支座所对应荷载最不利布置情况下各支座的并发反力进行抗倾覆验算。验算结果详见表1，有效支座平面如图10所示。

图10 有效支座平面示意图

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第4.2.2条规定，在持久状况下整体式截面的简支梁其结构体系应保持不变且作用效应应满足抗倾覆要求：

(1)作用基本组合下，受压支座不能发生支座脱空，应一直处于受压状态；

(2)恒载产生的稳定效应/活载产生的失稳效应≥2.5。

表1 抗倾覆验算表

由验算结果可见，该桥通过拉开梁端支座间距和设置梁端混凝土压重两种措施，梁端支座均不产生脱空，抗倾覆稳定系数最小值为7.54，均满足规范要求。

5 结论

(1)根据承载能力极限状态下对钢箱梁的纵向及横向验算结果表明，桥梁结构顶底板及腹板厚度均满足要求，支点横隔板厚度满足要求。

(2)根据在正常使用极限状态下对结构挠度及预拱度进行验算，结果表明桥梁结构刚度满足要求。

(3)小半径桥梁，由于曲线内外侧质量分布影响，内外侧支座恒载反力不均，且由于简支钢箱梁自重轻，抗扭支座少，梁端支座更容易产生脱空现象，从而导致倾覆。对此，可通过加大梁端支座间距，加强抗扭效应并设置一定的梁端压重，可避免支座脱空和主梁倾覆情况发生。

(4)在城市跨线桥中，钢箱梁可以较好地适应道路线型，相较于预应力混凝土梁桥，钢箱梁桥更适应于小半径桥梁，高跨比小，受力简单，但在设计过程中，应特别注意曲线梁桥所产生的弯扭耦合效应，设计时应加强抗倾覆验算，避免倾覆的发生。