大跨度分叉异形连续钢箱梁设计分析

周旋

近年来随着我国城市的迅速发展，城市基础设施建设速度加快，大量的城市高架出现在城市中。这种高架一般以标准化的中小跨径为主，结构型式以小箱梁、T 梁等为主。在跨越大型交叉口、河道、铁路等节点时，需采用大跨径桥梁进行跨越[1]，其中常用的大跨径连续结构有连续混凝土梁和连续钢梁两种。

本文以绍兴市二环北路智慧快速路为例，介绍了一座大跨度分叉异形连续钢箱梁的设计方案，其优点在于运输、安装方便，可以较好适应城市立交桥中的各种异形构造，工期短，对周围环境影响小，目前越来越广泛地使用在城市高架桥中。

1.工程概况

二环北路智慧快速路是浙江省绍兴市快速路网的重要组成部分，沿线经过中心城区，穿越众多交叉口、河道。工程范围为西起镜水路，东至越东路，全长约11.6km，全线采用“高架+地面”的敷设型式，高架包含主线高架和二环北路-越东路互通立交一座。

在二环北路-越东路立交区域，高架桥主线、匝道上跨杭甬运河。杭甬运河为规划三级航道，根据航道部门要求，桥梁主跨跨径需大于65m。由于立交整体线位限制，在主跨跨越杭甬运河之后，南侧WN 匝道分为WN、WS 两叉，北侧SW 匝道分为SW、NW 两叉，分叉点距离航道边线约20m。

由于航道需一跨跨越，中跨跨径需要达到70m 以上，钢梁边中跨比在0.6～0.7 左右为宜，边跨跨径需达到40m以上。根据这些限制条件，高架桥的跨径布置确定为主线跨径45m+73m+43m，南侧WN 匝道跨径43m+73m+45m，北侧SW 匝道跨径45m+75m+41m。桥梁布置见图1。

2.结构设计

WN 匝道和SW 匝道跨径、外形较接近，本节以WN 匝道为例介绍结构设计和计算内容。WNK2、WNK3 两孔为整体式断面，结构在WNK4孔内进行分叉，靠近中支点15m 范围内为整体式断面，后续结构进行分叉。

2.1 主梁设计

主梁采用43m+73m+45m 变高钢结构连续箱梁，左边跨以及右边跨分叉后采用单箱单室，其余位置采用单箱多室。中支点梁高3.6m，中跨跨中梁高2.2m，边支点梁高1.6m，梁高按照二次抛物线变化。桥面板为正交异性桥面板，顶板厚16mm～30mm，底板厚16～30m，腹板厚14mm～20mm。顶板、底板和腹板均设置纵向加劲肋。钢结构为全焊接结构，顶板U 肋连接采用螺栓连接，避免顶板疲劳荷载带来的焊接裂缝。顶底板设置2%横坡。典型断面详见图2。

2.2 结构计算

2.2.1 计算荷载

（1） 一期恒载：钢材容重=78.5kN/m3，计入自重系数1.73 考虑隔板、纵向加劲肋等构件的重量。

图1 杭甬运河桥梁平面布置图

图2 典型断面构造图（单位：mm）

（2）二期荷载：铺装：钢筋混凝土8cm，γ=26kN/m3；沥青混凝土10cm，γ=24kN/m3。防撞护栏：12kN/m 每侧。压重混凝土：γ=25kN/m3。

（3）汽车荷载：城-A 级；冲击系数：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.2 计算取值。

（4）基础变位：中支座沉降2cm，边支座沉降1cm。

（5）温度荷载：均匀温度：整体升降温30℃。梯度温度按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.12 取值。

（6）风荷载：重现期10 年的设计风速W1 为25m/s，重现期100 年的设计风速W2 为32.5m/s。

2.2.2 截面有效宽度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）的要求，需要考虑局部稳定影响对受压构件截面面积进行折减，同时也需要考虑剪力滞效应造成的顶底板实际应力分布不均匀，对顶底面截面面积进行折减。同时考虑剪力滞和局部稳定影响的受压翼缘有效宽度计算结果如表1 所示。

从以上计算结果中可以看出，由于加劲肋间距较密，不同顶底板厚度下局部稳定折减系数都是1，所以不需要考虑局部稳定因素带来的折减。但剪力滞效应带来的折减较大，特别是支点位置，折减系数为0.8，在跨中位置折减较少，在中跨跨中甚至不需要折减。

2.2.3 截面强度验算

2.2.3.1 正应力验算

基本组合下，不考虑结构重要性系数，主梁顶板最大拉应力出现在中支点位置，为131MPa；主梁底板最大压应力出现在中跨跨中，为168MPa。

以上结果为第一体系下的计算结果，根据文献资料，钢箱梁的第二体系应力可按照40Mpa 进行考虑。则顶板应力为206Mpa＜270Mpa；底板应力为246Mpa＜270Mpa。

基本组合下，主梁底板最大拉应力出现在分叉边跨跨中位置，为226MPa；主梁底板最大压应力出现在中支点，为181MPa。底板只需要考虑第一体系应力即可，在乘以结构重要性系数之后，顶板应力=249Mpa＜270Mpa；底板应力=199Mpa＜270Mpa。

2.2.3.2 剪应力验算

主梁腹板由剪力引起的最大剪应力为111MPa，主梁最大扭矩为663KN.m，扭转剪应力为3MPa。腹板上的最大剪应力为114MPa，满足规范要求。

2.2.3.3 疲劳验算

根据规范要求采用疲劳荷载计算模型I 计算疲劳荷载。根据疲劳细节，正应力常幅疲劳极限为80MPa，剪应力幅疲劳截止限位40MPa。

表1 考虑局部稳定影响的截面面积折减计算

上翼缘正应力幅=37.7MPa＜80/1.35=59.3MPa；腹板伸缩缝端剪应力幅=18.46 ＜40/1.35=29.6MPa；腹板中支点处剪应力幅=13MPa＜40/1.35=29.6MPa。

2.2.4 主梁预拱度计算

汽车活载会引起结构挠度，其不计冲击力的正负挠度绝对值之和为107mm，小于1/500L=142mm，满足规范要求。

根据规范要求，钢桥应设置预拱度，以保证桥梁建成后行车平顺，线形美观。预拱度需考虑结构自重、二期恒载及1/2活载共同引起的挠度。分叉的边跨预拱度（71mm）比整幅的边跨预拱度（61mm）大，除了分叉的边跨跨径略大之外，因为结构分叉造成的整体刚度较小也会造成竖向挠度增加。

3.结语

本文通过介绍一座大跨度连续分叉钢箱梁的设计方案和计算结果，验证了这种结构类型的可行性，为同类型桥梁提供借鉴。分叉端的各项验算均满足规范要求，分叉端的正应力、挠度等都比非分叉端大，证明了分离式的结构对于受力仍存在一定影响，可以通过增加顶底板厚度等方式增加分叉端结构刚度，改善其受力和变形效果。