寒冷地区中等跨径连续钢箱梁桥设计分析

聂玉东，张静元，王瑞琪

（1.黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨150080；2.内蒙古大学 生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特010040）

0 引 言

我国南方省份温差较小，钢桥桥面铺装普遍采用沥青混凝土桥面铺装方案。北方寒冷地区温差较大，钢桥桥面铺装若采用沥青混凝土方案，其与钢桥面的结合耐久性差；若采用先铺筑防水混凝土，再铺筑沥青混凝土的组合铺装方案，则可能存在因荷载增大导致的钢梁用钢量增加问题[1]。另外，钢桥设计时采用经济梁高可以减少钢材用量，节约材料费用。因此，设计时对钢桥用钢量进行分析，确定钢桥经济梁高至关重要。

本文按钢箱梁各板件均采用符合规范要求的最小板厚的设计原则，对寒冷地区4×30 m、4×40 m和4×50 m 连续钢箱梁进行设计，设计桥宽为13.25 m；桥面铺装采用2 种方案，分别为7.5 cm 沥青混凝土铺装方案和10 cm 水泥混凝土+10 cm 沥青混凝土的组合铺装方案，以便分析2 种铺装方案钢箱梁桥的经济梁高及用钢量变化情况，从而为寒冷地区中等跨径钢箱梁桥的结构设计及桥面铺装方案的确定提供参考。

1 钢箱梁截面轮廓尺寸的确定

1.1 翼缘宽度

对30～50 m 跨径钢箱连续梁，截面单箱宽度在2.0 m 左右时接近全宽有效，截面较为经济，受力性能也较好。另外，钢箱梁截面悬臂翼缘宽度一般情况下取1.0～2.5 m，且左右翼缘板宽度对称。综合考虑，本文钢箱梁采用双箱单室截面，单箱宽度取2.1 m，外侧悬臂翼缘宽度取2.2 m，内侧腹板相距4.65 m。

1.2 梁高

连续钢箱梁的经济梁高一般为L/30～L/20（L 为跨径）[2]。本文选择梁高l 分别为L/25、L/20、L/15 进行研究分析，具体为1.2 m、1.5 m、2.0 m（跨径30 m时）；1.6 m、2.0 m、2.7 m（跨径40 m 时）；2.0 m、2.5 m、3.3 m（跨径50 m 时）。

1.3 顶、底板U 肋

钢箱梁的顶、底板加劲肋均采用U 形加劲肋，截面尺寸为：梯形上开口宽度300 mm，下开口宽度180 mm，高度260 mm，厚度8 mm。

1.4 横隔板间距

钢箱梁桥跨径为30～50 m 时，根据规范，从经济性、安全性以及节段的划分等方面考虑，横隔板间距拟定为5 m。

本文13.25 m 桥宽的连续钢箱梁横断面布置示意图见图1。

图1 横断面布置示意图（单位：m）

2 钢箱梁板件厚度的优化

将钢箱梁主梁划分为边支座、边跨间、中支座及中跨间4 个标准梁段，标准梁段的顶板、底板和腹板根据各自梁段的受力特性以及强度设计值来调整板厚设计值；经过不断优化，使钢箱梁各板件厚度的设计更加经济合理。

2.1 计算参数和控制应力

钢箱梁采用Q345E 钢材，钢材容重取78.5 kN/m3；桥面铺装材料为厚7.5 cm 的沥青混凝土；钢箱梁的防撞护栏选择钢筋混凝土材料，每延米荷载为10 kN；汽车荷载采用公路I 级；温度、支座变位等其他荷载按现行规范取值。

钢箱梁的顶板、底板和腹板的强度设计值采用《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）第3.2.1 条中对应不同厚度的钢材抗压、抗拉和抗剪强度设计值[3]。由于顶板直接受到车轮荷载的作用，考虑到第二体系应力，顶板的强度设计值再减去50 MPa作为安全富余量。

2.2 钢箱梁板件厚度确定

箱梁顶板厚度变化不大，一般为14 mm，底板与腹板厚度则随着跨径L 的不同有变化。不同跨径箱梁底板、腹板厚度表见表1、表2[4]。由表1、表2 可知，随着跨径的减小或梁高的增大，底板厚度及腹板厚度一般均减小，减小到构造厚度（8 mm 或10 mm）时则不再变化。

表1 不同跨径箱梁底板厚度表 单位：mm

表2 不同跨径箱梁腹板厚度表 单位：mm

3 钢箱梁腹板加劲肋设计

钢箱梁腹板除了必须满足《公路钢结构桥梁设计规范》中表5.3.3 对纵、横向加劲肋最小厚度的要求，其余设计参数还必须满足该规范中式5.3.3-1～式5.3.3-6 的要求。通过计算，得到30～50 m 跨径钢箱连续梁腹板加劲肋设置形式如下：

腹板横向加劲肋板厚12 mm，板宽144 mm，间距为1.0 m。

腹板纵向加劲肋板厚10 mm，板宽120 mm，设置在腹板受压区。钢箱梁高在2 m 以下时不设置；钢箱梁高在2～3 m 时设置1 道；钢箱梁高大于3 m 时设置2 道。

4 钢箱梁横隔板设计

钢箱梁横隔板间距5.0 m，分为端隔板、跨间隔板。端隔板在支座处设置，厚度14 mm，跨间隔板厚度10 mm。2 道横隔板间设置1 道小横梁，小横梁按工字梁设计，梁长与桥梁全宽一致，工字梁腹板高600 mm，腹板厚度10 mm；翼缘板宽度240 mm，厚度10 mm。

5 用钢量计算

5.1 钢材用量与跨径、梁高关系

钢箱梁总用钢量与跨径、梁高的关系见表3。

由表3 可知：（1）钢箱梁的用钢量一般随着跨径的增大而增大；（2）钢箱梁的用钢量一般在跨高比L/l为15 时最大，在跨高比L/l 为20 及25 时基本相同；（3）钢箱梁跨高比为20 时截面用钢量较小，跨径30 m、40 m、50 m 连续钢箱梁用钢量指标为289 kg/m2、319 kg/m2、347 kg/m2。

表3 钢箱梁用钢量表

5.2 钢材用量组成分析

钢箱梁由顶板板件（包括顶板及其加劲肋，下同）、底板板件、腹板板件及横隔板板件组成[5]，表4为不同跨径、不同梁高下的钢箱梁各板件质量占比。由表4 可知：当跨高比L/l 为20 时，钢箱梁顶板板件的质量占整个箱梁质量的49%～59%；底板板件的质量占整个箱梁质量的15%；腹板板件的质量占整个箱梁质量的15%～24%；横隔板板件的质量占整个箱梁质量的11%～12%。

表4 钢箱梁板件用钢量占比

6 采用组合铺装钢箱梁用钢量的增量计算

6.1 内力增量计算

在北方寒冷地区，中等跨径钢桥桥面一般采用10 cm 水泥混凝土+10 cm 沥青混凝土的组合铺装方案[6]，这时桥面铺装重量较7.5 cm 沥青混凝土铺装方案增加3.1 kN/m2。经过内力计算和组合后发现，采用组合铺装方案后，30～50 m 跨径连续钢箱梁截面弯矩组合值较沥青混凝土铺装方案增加22%～24%，剪力组合值增加21%～28%[7]。

6.2 用钢量计算

根据增加后的弯矩及剪力，按符合规范要求且用钢量最少的原则，对4×30 m、4×40 m 和4×50 m连续钢箱梁进行再设计，得到总用钢量见表5。由表5 可知：采用组合铺装方案后，连续钢箱梁用钢量随跨径、梁高的变化规律与采用沥青混凝土铺装方案时相同。在钢箱梁跨高比L/l 为20 时，截面梁高为经济梁高，用钢量指标最小，跨径30 m、40 m、50 m钢箱梁的用钢量指标分别为294 kg/m2，324 kg/m2，356 kg/m2。

6.3 用钢量的增加量计算

采用组合铺装后，由于荷载增大，导致钢箱梁用钢量增加。将表5 与表4 对比可知：（1）当跨高比L/l为15 时，采用组合铺装后，荷载增大，钢箱梁用钢量的增加量却很小，基本为零。这是由于钢箱梁梁高较大时，钢箱梁截面应力富余较大，即使荷载增大，钢箱梁截面应力也不超限，基本不用增加钢箱梁板件厚度；（2）采用组合铺装后，当跨高比L/l 为20 时，即经济梁高情况下，钢箱梁用钢量的增加量为5 ～8 kg/m2，相对沥青混凝土桥面铺装，用钢量增加2%左右；（3）采用组合铺装后，当跨高比L/l 为25 时，即梁高较小情况下，钢箱梁用钢量的增加量为17～21 kg/m2，相对沥青混凝土桥面铺装，用钢量增加6%左右。

表5 组合铺装钢箱梁用钢量表

7 结 语

（1）对中等跨径连续钢箱梁，随着跨径的减小或梁高的增大，钢箱梁顶板厚度变化不大，一般为14 mm，钢箱梁底板厚度及腹板厚度一般均减小，减小到构造厚度（8 mm 或10 mm）时则不再变化。

（2）钢箱梁的用钢量一般随着跨径的增大而增大。

（3）采用组合铺装方案后，连续钢箱梁用钢量随跨径、梁高的变化规律与采用沥青混凝土铺装方案时相同。在钢箱梁跨高比为20 时，截面梁高为经济梁高，用钢量指标最小，跨径30 m、40 m、50 m 钢箱梁的用钢量指标分别为294 kg/m2，324 kg/m2，356 kg/m2。

（4）当跨高比为15 时，采用组合铺装后，荷载增大，钢箱梁用钢量的增加量很小，基本为零；当跨高比为20 时，钢箱梁用钢量增加2%左右；当跨高比为25 时，钢箱梁用钢量增加6%左右。