钢底板和波形钢腹板组合简支箱梁桥方案研究

高建安

（甘肃公航旅路业有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

现阶段我国公路建设工程开展过程中，中小跨径桥梁得到广泛应用，从实际发展情况分析简支桥梁逐渐成为小跨径桥梁的主要施工方式。然而该方案在桥梁跨径较大情况下，PC 简支桥梁难以满足实际承载力要求。由此，施工技术人员在经过实际研究后提出在城市汽车专用简支桥梁中采用正交异性钢箱桥梁，该构型优势在于结构轻便、施工效率高、质量可靠，但是实际应用中突显出桥面铺装困难、疲劳性能较差等缺陷[1]。由此，钢底板及波形钢腹板组合箱梁方案成为解决相关问题的主要手段，此方案也成为当前行业内技术人员主要研究内容。

1 案例概述

为详细说明钢底板及波形钢腹板组合桥梁方案可行性，本文选取甘肃省乌玛高速公路景泰至中川机场段工程项目为例进行说明。案例工程为该地为连接市区与郊区机场所规划的道路改造工程。景中高速JZ9 标段位于兰州新区境内，距离兰州市区约67km，改造工程路线起点位于机场高速中川收费站管理所南1000m 处，终点位于机场T2 航站楼南约1.25km 处，终点顺接机场迎宾大道。本工程设计改造方案为利用高架桥使机场高速公路主线跨越马家山互通立交以及机场迎宾大道，促使机场高速与航站楼之间交通实现快速转换。同时对马家山互通立交部分匝道进行改造，确保其完全成为互通立交，为该市新区、机场生活区以及机场高速快速连接提供便利条件。

本工程施工单位在综合实际情况考量情况下决定采用钢底板及波形钢腹板组合桥梁方案，具体施工方案设计如下：桥梁规划为六车道，两副梁体采用独立设计方式。单幅桥梁设置为三车道，桥面宽度为12.45m。全桥主梁采用等高设计，具体规格为高度2.25m，混凝土桥面以及腹板厚度分别为25cm 以及20mm。混凝土桥梁要求强度标准达到C50 级别，腹板采用1600 型波形钢板。底板部分厚度设计为20mm，腹板及底板材质均要求为Q345C钢。

2 构建有限元模型

为详细说明本组合方案实际受力特性，技术人员采用“实体单元+板单元”方式对桥梁进行模拟，其中混凝土桥面板以及腹板底板分别采用实体单元以及板单元进行模拟，三者利用共同节点进行连接。

模型测试过程中，技术人员采用车辆荷载进行加载，具体参数设计参照国家颁布的《城市桥梁设计规范》对车辆轴重、车辆前后轮接地面积以及位置进行设计。在充分考量各种条件后，技术人员提出以下四种工况条件：第一，恒载工况；第二，恒载和车辆荷载，且跨中为车辆荷载第四轴所在位置；第三，恒载和车辆荷载，且跨中右侧2.7m 处为车辆荷载第四轴所在位置；第四，恒载和车辆荷载，且右支座左侧0.1m处为车辆荷载第四轴所在位置。

依据我国颁布的相关规章制度要求，在不同部分分项系数取值如下所示：结构自重以及铺装、护栏等二期恒载方面应归属于永久作用，其系数取值分别为1.1 以及1.2。车辆荷载部分分项系数处于可变状态，应取值1.8，其他冲击系数、结构重要性系数取值分别为1.2 以及1.1。依据上述参数取值可得出道路在4种不同工况条件下，承载能力极限状态验算荷载组合。

3 案例计算分析

3.1 混凝土桥面板

通过试验验证可得出四种工况下混凝土桥面板正应力分布情况。在工况1条件下，混凝土桥面板在荷载作用下，压应力呈现出较为显著的增强趋势，其变化方向为自支座向跨中逐渐提升，经计算最大压应力值为6.47MPa；在工况2 条件下，道路在车辆荷载作用导致的局部效应影响，车轮作用位置成为桥面板压应力峰值位置，经计算其最大数值为17.65MPa；在工况3、工况4 条件下，技术人员在经过测算后发现其桥面板应力峰值与工况2 条件下产生的峰值特征相类似，车轮作用位置为压应力峰值产生位置，其具体数值分别为17.74MPa 以及14.61MPa。

3.2 钢底板

在不同工况条件下，钢底板部分正应力分布情况不同。根据底板正应力分布数据可知，钢底板以及波形钢腹板链接区域是应力峰值集中部分，这种情况在波形箱钢腹板拐点位置表现最为显著。依据实践研究显示，案例工程在工况1 条件下，混凝土桥面板以及钢底板拉应力呈现出相似特征，拉应力均为在整体层面上呈现出有规律的增强态势，且增强方向均为自支座向跨中位置逐渐增加，根据实际计算结果，其拉应力峰值为109.75MPa；在工况2 条件下，桥面所受拉应力在车辆横向荷载不对称情况影响下，拉应力峰值存在于车辆荷载布置侧，经计算，其拉应力峰值为216.65MPa；在工况3 条件下，由于该条件是基于初等梁理论计算所得工程最不利情况，技术人员在计算后得出其底板拉应力峰值为217.65MPa；在工况4条件下，技术人员经过详细计算得出其底板拉应力峰值为191.02MPa。经过实践验证可知，工况4 条件下车辆荷载传导方向为经桥面板、波形钢腹板，最终抵达钢底板位置。受此情况影响，车辆荷载会在经由桥面板、波形钢腹板最终传导至钢底板部分，由此，因车轮作用位置导致的局部效应会被大幅削弱。

3.3 波形钢腹板

从试验结果来看，波形钢腹板绝大部分正应力均控制在较小情况下，仅少数部分在各方面因素影响下使得拉应力峰值大于65MPa。由此可充分体现出波形钢腹板纵向刚度小且基本不承载弯矩的特征。从实际设计角度分析，其主要控制因素应为剪应力，桥梁截面产生的剪力会有波形钢腹板承担。同时在腹板以及顶底板支架相互作用下，应力峰值主要集中在两部分联结位置，在上文叙述中提出的四种工况条件下，可计算出腹板应力峰值分别为49.27MPa、93.87MPa、89.44MPa、101.04MPa。

通过分析不同工况条件下组合简支桥梁混凝土桥面板、钢底板、波形钢腹板应力以及桥梁挠度情况数据可知，控制应力数值均处于材料强度设计值直线，桥梁挠度也满足国家规范标准要求。由此，可见本方案具备可行性，可以满足桥梁设计承载力以及正常使用要求。

4 总结

综上所述，案例工程所选取方案完全取得预期成效。同时在简支桥梁施工过程中，利用本文所研究方案，在跨度较大的情况下可以有效缩短工期，同时达成节约建材资源以及提升施工质量的目的，技术人员在进行施工设计工作过程中应注意对各项因素进行综合考量，在确保施工安全以及质量的基础上进一步推动施工技术不断进步。