宽幅钢箱梁大悬臂横梁的设计方法

2020-06-09 10:06陈银伟
工程技术研究 2020年7期
关键词:钢箱梁隔板悬臂

陈银伟

(中铁武汉勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430074)

文章以武汉市光谷大道(三环线—珞喻东路)快速化改造工程跨铁路段桥梁工程为例,提出一种宽幅钢箱梁大悬臂横梁的设计方法[1-3]。

武汉市光谷大道(三环线—珞喻东路)高架桥北起长飞立交,南至三环立交。该段桥梁上跨武汉南环铁路及余花联络线,主桥桥墩位于关南园四路路口。铁路为路堤形式,顶全宽26m,坡脚全宽56m。上跨铁路主桥桥跨布置采用2m×62.5m,桥梁全宽40m,上部结构采用整幅式钢箱梁,转体施工。桥梁下部结构主墩位于关南园四路路口,横向布置受限制,采用钢筋混凝土花瓶式桥墩,底部尺寸13m(纵)×4m(横),顶部尺寸13m×10.8m,顶帽尺寸16.5m×10.8m(为转体系统提供施工平台),群桩基础;边墩采用分体式桥墩,横向布置三柱。受桥墩布置形式和墩型的影响,主墩墩顶横向设置双排支座,间距6.0m,横向悬臂长17m。两端部均设置三支座,左侧墩支座间距20.5m,右侧墩支座间距14.6m。桥梁横断面图如图1所示。

图1 桥梁横断面图(单位:cm)

1 宽度钢箱梁大悬臂横梁的设计要点

上跨铁路主桥采用2m×62.5m连续梁,全宽40m,采用整幅式断面形式。

上部结构采用变截面钢箱梁,钢箱梁端部梁高2.8m,中支点梁高6.0m,边腹板采用斜腹板结构,梁底采用二次抛物线过渡;钢箱梁单幅顶宽40m,底宽30.17~32.6m,横向采用单箱六室结构,箱梁采用Q345钢材。

根据结构纵向计算情况,中横梁部位顶板钢板厚度采用36mm,底板采用40mm,中腹板采用24mm,边腹板采用32mm,顶板设置10mm U肋,底板设置210mm×14mm+140mm×14mm T肋。

桥梁设计重难点为中支点大悬臂横梁结构,设计要点:(1)大悬臂横梁结构设计和应力分析[1-3];(2)中支点大吨位支撑系统的设计[4-6];(3)由于中墩横梁悬臂过大导致的全桥运营阶段抗倾覆稳定性问题[7-9]。中支点大悬臂横梁示意图如图2所示。

图2 中支点大悬臂横梁示意图(单位:mm)

2 工程重难点解决方案

2.1 大悬臂横梁结构设计

桥梁采用墩顶转体施工,为满足转盘布置的需要,中横梁宽度取6.0m,横梁横向设置双排支座,间距6.0m,顶板悬臂长度达到17.0m,横向受力很大。

横梁采用实腹式横隔板形式设置,纵向布置3条实腹式横隔板,间距2.0m,横隔板厚度36mm,支座部位设置腹板加劲肋,将3条腹板连成整体,形成格构体系,共同受力。横梁部位顶板厚36mm,底板厚40mm;支座部位设置80mm厚调平钢垫板。

2.2 大悬臂横梁支撑系统设计

由于桥梁跨度大,面积大,采用先转体后合拢施工方案,因此中横梁部位支座反力相应较大,对应的支座吨位也较大。根据纵向计算结论,该桥支反力结构如表1所示。

表1 全桥纵向支反力计算表 单位:kN

桥梁主墩最大反力为70515kN,横向布置双排支座,间距6.0m,如纵向采用单排支座,则支座吨位约40000kN,对于钢箱梁底板、横隔板及加劲肋局部承压较为不利[4-6]。

鉴于上述影响因素,本桥中横梁支撑体系考虑采用纵向双排布置,纵向间距4.0m,支座正对着实腹式横隔板。中墩共布置4个支座,如图3所示。

纵向设置间距较小的双排支座会加大活载的负效应,但受钢箱梁自身竖向和纵向刚度的影响,负效应会相应折减。根据全桥板壳模型分析计算结果(综合考虑钢箱梁竖向和纵向刚度的影响),支座反力结果如表2所示。

表2 中墩支座反力计算表 单位:kN

由表2计算结果可知,受钢箱梁自身竖向和纵向刚度的影响,该桥活载对纵向双排支座的负效应影响相对较小,单个支座压力储备均较大,最小压力为13599kN,支座最大反力为19617kN。中墩选择4组20000kN支座可满足结构受力要求。

2.3 大悬臂横梁抗倾覆稳定性问题解决方案

自2007年以来,国内在多地发生箱梁横向倾覆失稳直至垮塌的事故,且大部分为整体式大箱梁,因此,大箱梁横向抗倾覆稳定性也成为桥梁的重要设计内容[7-9]。本桥桥宽达40m,上部结构采用钢箱梁,且中墩支座间距仅6m,于桥梁横向抗倾覆稳定性不利,桥梁横向抗倾覆稳定性需重点考虑。

设计通过拉大端支座间距来解决桥梁横向抗倾覆稳定性问题,两侧边墩均设置3排支座,其中左侧墩支座间距20.5m,右侧墩支座间距14.6m,如图4所示。

图4 桥梁支座平面布置图(单位:mm)

3 工程理论计算结论

3.1 宽幅钢箱梁大悬臂横梁应力分析

(1)横隔板剪应力分析。中横隔板处于支座处反力作用下,受剪力较大。在中横梁处有3块横隔板共同受力。横隔板板厚取t=36mm,横隔板高度h=6000mm。中横梁腹板剪应力如图5所示。

图5 恒载+活载作用下横梁剪应力云图(单位:Pa)

恒载+活载作用下,中横梁部位横隔板最大剪应力为τmax=106MPa<[τ]=155MPa,发生在主梁左右支座附近,其余部分应力水平较低,剪应力分布相对较均匀,满足钢结构受力要求。

(2)大悬臂横梁横向弯曲应力分析。中横梁部位顶板钢板厚度采用36mm,底板采用40mm,中腹板采用24mm,边腹板采用32mm,顶板设置10mm U肋,底板设置210mm×14mm和140mm×14mm T肋。中横梁顶底板弯曲应力如图6所示。

恒载+活载作用下,中横梁部位横向顶板最大弯曲应力为σmax=147MPa<[σ]=270MPa,发生在支座位置顶板部位。底板部位支座附近局部应力集中,压应力达到316MPa<fcd=355MPa,满足端面承压要求;其余部位最大压应力为95.5MPa,满足钢结构应力要求。

3.2 支撑系统局部应力分析

由于钢箱梁底板支座部位采用格构体系,底板在竖向刚度远小于腹板及横隔板竖向刚度,因此底板面外承压能力远小于设置有腹板、横隔板及加劲肋的部位,需对支座上方设置有腹板、横隔板及加劲肋的部位进行局部应力检算。

图6 恒载+活载作用下中横梁横向弯曲应力云图(单位:Pa)

该桥支座垫板横桥向宽度B1=2000mm,顺桥向宽度B2=2000mm,厚度t=80mm,支座上座板最小尺寸为1130mm(纵)×1010mm(横),垫板范围内有1道厚度td1=36mm横隔板、3道厚度td2=28mm支座加劲板。支座处箱梁底板厚度tf=40mm,则横隔板的有效宽度Beb1=1010mm+2×(80+40)mm=1250mm;加劲肋有效宽度Beb2=1130mm+2×(80+40)mm-36mm= 1334mm。局部承压应力:

根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)3.2.1条规定,Q345钢板端面承压fcd=335MPa,支撑系统局部应力满足结构受力要求。

3.3 箱梁横向抗倾覆稳定性分析

根据已发箱梁倾覆事故的分析,上部结构的横向失稳主要表现为两种状态:第一种为单向受压支座脱离正常受压状态,上部结构的支撑体系不再提供有效约束,导致上部结构扭转变形趋于发散,横向失稳垮塌,支座、下部结构连带损坏;第二种为箱梁抗扭支撑全部失效,导致箱梁整体倾覆。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)4.1.8条进行箱梁抗倾覆稳定性分析,特征状态1最不利组合下支座最小反力为848kN,满足要求,特征状态2下失稳效应计算满足要求。

4 工程实施效果

武汉市光谷大道(三环线—珞喻东路)快速化改造工程跨铁路段桥梁工程已于2019年6月22日成功转体,于2019年8月合龙,并于同年度9月通车。桥梁目前运营状况良好。

5 结束语

文章以武汉市光谷大道(三环线—珞喻东路)快速化改造工程跨铁路段桥梁工程为例,介绍了宽幅钢箱梁大悬臂横梁的设计难点,并提出相应解决方案和措施,同时结合理论计算分别进行了宽幅钢箱梁大悬臂横梁应力分析、大吨位支座系统局部应力分析、桥梁整体横向抗倾覆稳定计算,为宽度钢箱梁大悬臂横梁的设计提供了一定的思路,可为今后类似工程提供设计参考。

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