某高速公路55 m跨钢箱组合梁结构设计与计算分析

摘要：为研究大跨径组合梁受力情况，文章以某双向四车道高速公路55 m跨钢箱组合梁为研究对象，介绍了结构设计要点，并基于有限元软件，考虑活载偏载影响得到了主梁受力情况，选取单位桥面板宽度对桥面板抗弯承载能力及裂缝进行了验算。计算结果表明，钢板组合梁纵横向受力良好，分析过程可为类似结构提供参考。

关键词：高速公路；钢箱组合梁；结构设计；有限元；受力情况

中图分类号：U448.21+6" " " 文献标识号：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.046

文章编号：1673-4874（2024）11-0155-03

0引言

近年来，随着组合结构理论的不断发展和完善，组合结构桥梁在桥梁建设领域得到了一定范围的推广应用。相比混凝土桥，在上跨高速公路且跨径＞40 m时，钢混组合结构桥梁具有明显优势。钢结构自动化水平高、主要构件可实现厂内流水线加工制造，且从全线施工成本角度出发，钢结构具有轻质高强、施工速度快、工期短、低碳环保特点，因此从工业化建设理念出发，在建高速公路项目中等跨径主线桥梁可考虑采用钢混组合桥梁形式。钢混组合桥梁主要包括钢板组合梁、钢箱组合梁和钢桁组合梁三种类型，钢板组合梁跨径适用范围较广，用钢量较省，钢桁组合梁梁高较大，现场拼装工作量较大，而钢箱组合梁具有良好的抗车辆偏载能力，适用跨度较大［1-3］。

为满足大跨径桥梁建设需求，相关高校、设计院及科研院所对钢箱组合梁进行了较为深入的研究。钟宇杰等［4］总结了钢箱组合梁发展历程，从立面布置、截面类型及结构尺寸等方面详细阐述了结构设计原理；陶伟［5］基于Midas Civil有限元软件，对雅康高速冷竹关大桥承载能力各项指标进行了验算分析；陈致淳［6］基于山区桥梁地形地质状况，提出了适宜性的施工组织方案和结构设计参数，并分析了施工阶段对结构受力的影响；苏立超［7］从钢箱组合梁结构特点出发，系统性地阐述了桥梁施工、检测和养护关键性要点。目前关于钢箱组合梁的研究包括桥型比选、结构设计、施工和运营管养层面，相对缺少对于结构验算的系统性分析。本文以某双向四车道高速公路55 m跨钢箱合梁为研究对象，在阐述结构设计参数的基础上，系统性地对该桥关键受力指标进行了计算分析，以提高桥梁设计人员对此类桥型的认识。

1结构设计

某双向四车道高速公路在上跨42 m既有老路时，为满足视距及桥墩防护要求，经方案论证，采用55 m钢混组合梁方案进行跨越。桥梁设计速度为100 km/h，荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面总宽12.8 m，护栏采用SS级防撞护栏等级，护栏宽度为0.6 m，桥梁抗震按照Ⅶ度进行设防。为充分发挥钢材力学性能优势，钢箱组合梁按照分离式截面进行布置，单个箱梁底宽2 m，箱梁净距为4.8 m，单侧桥面板悬臂长度为2 m，梁高为3.2 m，梁高与跨径之比为1/17.2。桥面板按照钢筋混凝土构件进行设计，分段预制桥面板通过横向湿接头及剪力槽与钢箱连接牢靠，加腋处和跨中桥面板厚度分别为0.4 m和0.25 m，典型横断面如图1所示。

钢箱梁纵向按照分阶段进行布置，共分为5个梁段，如图2所示。各梁段范围内钢箱梁顶板和底板厚度分别为20 mm和22 mm，Ⅱ和Ⅲ梁段腹板厚度为14 mm，Ⅰ梁段腹板厚度为12 mm，以满足抗剪需要。腹板全线贯通设置一道纵向加劲肋，Ⅰ梁段增设一道纵向加劲肋，每2 m设置一道竖向加劲肋以满足稳定性需要。考虑到结构自重较大，参考类似项目，横隔板采用框架式横隔板形式。Ⅲ梁段钢材材料为Q345qD，Ⅰ梁段和Ⅱ梁段钢材材料为Q390qD，桥面板混凝土强度等级为C50。

2施工阶段

钢混组合梁施工阶段主要包括：（1）钢梁节段吊装就位；（2）安装分离式钢箱之间的横梁，其中横梁与钢箱之间采用焊接连接；（3）吊装分段预制桥面板；（4）浇筑桥面板横向湿接缝、剪力槽混凝土，与钢箱形成联合界面，共同受力；（5）进行桥面铺装、护栏等二期荷载施工；（6）桥梁混凝土的10年收缩徐变期。

3有限元建模

采用梁格法建模思路，考虑关键施工阶段将钢箱梁和桥面板混凝土分别进行单元离散化，建立有限元数值模型。模型中钢材和混凝土容重分别为26 kN/m3和78.5 kN/m3，钢箱与桥面板施工顺序按照施工阶段联合截面进行考虑。当施工钢箱时，激活钢箱单元，钝化桥面板单元，在形成联合截面前桥面板作为外荷载进行处理。按照实际边界条件设置情况，分别对钢箱梁梁端支座位置进行铰接约束。所建立的钢箱组合梁纵向有限元模型如图3所示。

对于桥面板而言，桥面板竖向支承于钢箱梁上翼缘，受力模式为多点弹性约束板，由于板的跨径方向远小于主梁的跨径方向，因此荷载分布宽度可按照单向板来计算。根据相关规范［8］，可分别求解平行于板跨径和垂直于板跨径方向（即顺桥向）的荷载分布宽度，考虑到相邻重轮叠加影响，即荷载大小为280 kN，可得到顺桥向桥面板活载分布宽度，如图4所示。沿顺桥向取桥面板长度为1 m，按照实际截面情况，考虑普通钢筋作用，采用梁单元，建立桥面板有限元模型，如图5所示。

4结果分析

4.1钢箱梁分析

活载布置时考虑应急车道，按照最不利三车道偏载工况进行加载，恒载考虑焊缝1.5%倍钢箱梁自重的影响，钢箱梁加劲肋按照实际重量在结构自重系数中进行考虑。钢箱梁整体分析时主要关注施工阶段和成桥状态，此处提取收缩徐变10年后及活载偏载下的钢箱梁应力，计算结果分别如图6和图7所示。

从计算结果来看，施工阶段钢箱梁上翼缘最大压应力为157.7 MPa，下翼缘最大拉应力为117.4 MPa，应力主要集中在Ⅰ梁段和Ⅱ梁段区间范围内。成桥后，在偏载作用下，钢箱梁上翼缘最大压应力为194.8 MPa，下翼缘最大拉应力为201.4 MPa，相比于施工阶段，最大压应力和拉应力分别增加37.1 MPa和84 MPa，活载对拉应力水平增加较多，这与钢箱梁形成联合截面后，截面中性轴明显上移，底板距中性轴距离加大，因此下翼缘受力对活载较为敏感。总体而言，基本组合下，钢箱梁最大应力小于Q390qD钢材抗拉压强度设计值295 MPa［9］，且钢板应力具有一定的安全储备。

由于活载对钢箱梁受力影响较大，结合目前公路运输多呈现“车流量大、重车占比高”特点，经交通量调查，此处考虑1～3倍的超载系数，对钢箱梁上下翼缘应力进行研究，得到应力变化曲线如图8所示。

由图8可知，超载对钢箱梁压应力影响较小，对拉应力影响较大，当超载达到3倍时最大压应力和拉应力分别增加10.7%和60.6%，其中当超载达到2.6倍时，钢箱梁下翼缘最大拉应力达到299.1 MPa，超过规范限值，因此实桥中应严格控制超载发生，同时钢箱梁根据桥梁服役荷载环境适当增加Ⅰ梁段底板厚度。

4.2桥面板分析

根据桥面板实际受力特征，分别在上下层布置一层受力主筋，直径分别为20 mm和16 mm，钢筋间距为10 cm，按照三车道移动加载，考虑局部效应，活载系数取1.3［10］。经计算，承载能力极限状态下关键截面正截面抗弯计算结果见表1，其中弯矩设计值计算结果考虑结构重要性系数为1.1。

根据抗弯计算结果，钢箱梁内侧腹板上翼缘与桥面板连接处（即中支点）负弯矩最大，其数值为154.8 kN·m，该截面抗弯容许值为265.4 kN·m，安全系数为1.71，其余关键截面抗弯安全系数均≥2，满足规范要求。

由于中支点截面负弯矩最为不利，在进行正常使用极限状态下裂缝宽度计算时，通过有限元软件提取得到该截面上缘受拉钢筋应力为102.2 MPa，结合规范计算公式求得裂缝宽度为0.09 mm，小于规范限值0.2 mm，因此桥面板裂缝宽度满足使用要求。

5结语

本文以某双向四车道大跨径分离式钢箱组合梁为研究对象，阐述了结构设计情况，并对全桥受力进行了计算分析，主要结论如下：

（1）在本文所选取的大跨径钢箱组合梁结构尺寸条件下，结构对活载效应较为敏感。从施工阶段到成桥状态，活载应力最大增幅为71.6%，后期运营过程中应严格控制车辆偏载和超载的同时作用，且设计时应确保跨中梁段底板厚度满足受力需求。

（2）预制桥面板作为横向受力构件，在双筋截面配置条件下，抗弯承载能力和裂缝宽度均满足规范要求，桥面板最不利控制截面位于钢箱梁内侧腹板上翼缘与桥面板连接处，建议加强该位置截面上层钢筋配置以改善抗裂效果。

参考文献：

［1］卫星，肖林，温宗意，等.钢混组合结构桥梁2020年度研究进展［J］.土木与环境工程学报（中英文），2021，43（S1）：107-119.

［2］魏明耀.装配式组合钢箱桥梁工程施工技术［J］.交通世界，2024（7）：139-141.

［3］张潮忠，张飞飞.公路常规跨径钢混组合梁结构形式对比及分析［J］.工程建设与设计，2023（11）：100-102.

［4］钟宇杰，曾辰辉.装配式组合连续梁桥的钢箱梁设计原理研究［J］.交通世界，2022（Z1）：97-98.

［5］陶伟.钢箱-混凝土板组合梁主桥静力计算分析［J］.中国公路，2021（10）：92-95.

［6］陈致淳.山区大跨钢混组合桥梁施工方案设计与评估［J］.低碳世界，2024，14（1）：136-138.

［7］苏立超.钢混组合桥梁施工、检测与养护技术［J］.工程建设与设计，2021（10）：130-132.

［8］JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［9］JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范［S］.

［10］JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范［S］.

作者简介：覃广（1985—），工程师，主要从事路桥项目施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18