宽幅钢箱梁大悬臂横梁的设计方法

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。