含大跨隱橫梁曲線鋼箱梁橋設計及受力性能分析

熊 誠,危玉蓉,梁慶學

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

隨著我國城鎮化進程的不斷推進,城市道路交通基礎建設不斷發展。為滿足人們日益增長的出行需求,緩解交通擁堵,許多城市先后建設了大量城市立交。城市立交相比公路立交而言,受制于征拆、用地、地面輔道交通等諸多因素影響,其總體布線更加復雜,立交層數較多,因此立交橋梁設計也更為復雜。所建橋梁常位于變寬曲線段,且橋梁布墩空間受限明顯,橋梁選型需綜合考慮結構受力性能、跨越能力、美觀性,并盡量減少施工對交通的影響。含隱橫梁的曲線鋼箱梁因具有跨越能力強、建筑高度小、布墩靈活等特點而廣泛應用于城市立交。

1 工程概況

依托工程為宜昌市道路快速化改造工程互通立交節點,主線高架橋采用S形曲線布置,匝道線型均采用小半徑曲線且位于立交頂層。主線及匝道橋大面積采用鋼箱梁。

G匝道第二聯采用小半徑曲線連續鋼箱梁,橋跨布置為(30.158+44+44.719+38.368)m,梁高1.9 m,曲線半徑70 m,橋寬10 m,橋梁平面布置如圖1所示。G4、G5、G8號墩采用墻式花瓶墩,支座間距2.6 m;G6號墩采用雙柱墩,支座間距4 m;受地面輔道空間制約,G7號墩設置于地面輔道兩側人行道,主梁采用外伸隱橫梁,跨度達32.9 m。主梁施工方法為工廠節段預制,現場設臨時胎架,吊裝拼裝。

圖1 橋位平面布置

本實例橋梁具有以下特點:(1)主梁位于小半徑曲線段,“彎扭耦合”效應明顯;(2)墩頂均采用雙支座體系,但支座布置受限明顯,部分墩頂支座支撐線與主梁斜交,且支座間距較小,需重視橋梁抗傾覆設計;(3)為減小結構建筑高度,采用了大跨度外挑隱橫梁結構,主梁構造復雜。

2 結構總體設計

主梁標準段采用兩側帶挑臂的單箱雙室截面。鋼箱梁頂面寬9.8 m,挑臂長1.35 m,頂板標準段厚度16 mm,在中支點和邊支點范圍局部加厚至24 mm。頂板下設T型縱肋,T肋橫向間距 300 mm,高度200 mm,腹板厚度8 mm,下翼板厚度14 mm。底板標準段厚度14 mm,在中支點和邊支點范圍局部加厚至24 mm。底板上方設I型縱肋,I肋橫向間距300 mm,高度160 mm,I肋腹板厚度8 mm。腹板由兩道邊腹板和一道中腹板組成,邊腹板傾斜布置,中腹板鉛垂布置,標準段腹板厚度14 mm,在中支點和邊支點范圍局部加厚至24 mm。為確保腹板局部穩定性,腹板受壓區設置縱向水平加勁肋,并沿縱橋向設置豎向加勁肋,豎向加勁肋標準間距2.0 m。鋼箱梁內部設普通橫隔板和支座橫隔板,普通橫隔板采用開孔的板式結構,隔板厚度12 mm,縱橋向標準間距2 m,頂底板縱肋在隔板位置開孔穿過;支座橫隔板加厚至24 mm,并根據受力需要設置支撐加勁板。挑臂縱橋向標準間距1 m,與橫隔板、橫肋板嚴格對齊,挑臂腹板厚度12 mm,翼板厚度14 mm,挑臂翼板外貼4 mm鋼板封閉。鋼箱梁采用全焊接結構,材質為Q345qD。鋼箱梁標準斷面如圖2所示。

圖2 鋼箱梁主梁標準斷面(單位:mm)

3 結構模型建立

3.1 計算參數

(1)恒載:鋼材重度γ=78.5 kN/m3。橋面凈寬9 m,鋪裝采用10 cm瀝青混凝土和8 cm鋼纖維混凝土,荷載集度為39.6 kN/m;護欄采用鋼筋混凝土護欄,荷載集度為10.5 kN/m。

(2)汽車荷載:城-A級,按實際車道數進行中載及偏載布置。

(3)溫度:按整體升溫25 ℃、整體降溫-30 ℃考慮;基于該橋的鋪裝形式,主梁溫度梯度按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.12條的溫度梯度曲線確定,正效應(0,5.5,14),負效應(0,-2.75,-7)。

(4)支座沉降:不均勻沉降取10 mm。

3.2 計算方法

鋼箱梁采用正交異性板橋面結構,其力流傳遞路徑為橋面板—縱肋—橫隔板—縱腹板—支座橫梁—支座,一般分為3個體系進行內力計算。

第一體系為“主梁體系”,由頂底板與縱肋組成主梁截面,構成主要承重構件,該體系可采用初等梁彎曲理論進行計算分析。第二體系為“橋面結構體系”,由橋面板與縱橫肋組成。橋面板及縱肋組合可視為彈性支撐于橫肋上的連續梁。第三體系為“面板體系”,僅指橋面板,可將面板視為支撐于縱橫肋上的連續板,橋面板應力一般呈薄膜應力狀態,效應較小。結構計算分析時通常僅選取第一、二體系應力進行疊加分析[1]。

3.3 模型建立

(1)第一體系計算模型建立。

采用midas Civil進行結構計算分析,根據實際支座布置情況確定模型邊界條件。主梁采用常規線單元進行縱向建模,隔板加勁及壓重荷載通過節點及單元荷載施加。第一體系有限元計算模型如圖3所示。

圖3 第一體系有限元計算模型

(2)第二體系計算模型建立。

第二體系中,縱肋與橋面板支承于橫隔板上,將自重、 二期恒載及車輪荷載傳遞給橫隔板, 橫隔板間距即縱肋的跨度?？刹捎帽容^簡便的計算模式,以“有效寬度”將橋面板進行縱橫向分割,每個橋面板縱肋附帶一塊一定橫向寬度的頂板。有效寬度可采用《現代鋼橋》相關方法計算[2]。本橋鋼箱梁頂板縱肋采用T肋,為開口肋,主梁等效截面如圖4所示,經計算,c值為0.11 m。

b—1/2主梁腹板間距;c—主梁翼緣有效寬度。圖4 頂板縱肋等效截面

根據車輪寬度并考慮沖擊系數及鋪裝厚度范圍的應力擴散,得到單根縱肋輪載分配系數為0.223。根據二期恒載荷載集度及橋面寬度,得到單根縱肋二期恒載分配荷載集度為1.8 kN·m。采用midas梁單元建模,取5個隔板間距長度的縱向加勁進行橋面第二體系計算。

(3)橫梁計算模型建立。

建模步驟如下:①進行橫梁頂底板有效寬度計算,然后等效為工字鋼截面;②根據主梁縱向體系計算恒載支反力,換算為腹板位置施加的荷載值;③計算單車道荷載,采用midas橫向加載功能,橫向移動布載并考慮多車道折減效應;④按實際支座建立邊界。

4 結構計算結果分析

4.1 主梁第一體系應力計算

第一體系主梁頂底板及腹板應力計算結果如圖5～圖7所示。

圖5 基本組合頂板第一體系正應力包絡圖(單位:MPa)

圖6 基本組合底板第一體系正應力包絡圖(單位:MPa)

圖7 基本組合腹板剪應力包絡圖(單位:MPa)

4.2 主梁第二體系應力計算

T肋上緣(第二體系橋面板)計算應力如圖8所示。

圖8 T肋上緣(橋面板處)應力包絡圖(單位:MPa)

由計算結果可知,T肋上緣最大壓應力為-64.6 MPa,最大拉應力為36.0 MPa。

4.3 綜合應力疊加計算

主梁綜合應力疊加計算結果如表1所示。

表1 主梁綜合應力疊加計算結果 單位:MPa

4.4 結構剛度驗算

主梁豎向撓度采用結構力學方法計算。汽車車道荷載不考慮沖擊系數,采用頻遇值,頻遇值系數為1.0。經計算,主梁各跨豎向撓度值分別為16、33、41、19 mm,均小于L/500,主梁結構剛度滿足規范要求。

4.5 結構抗傾覆驗算

為提高結構抗傾覆穩定性,各墩均采用雙支座體系,盡可能加大支座間距,支座布置如圖9所示。結合初步計算結果,合理設置壓重區域。

圖9 橋梁支座平面布置(單位:cm)

按《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)第4.2.2條規定驗算橫橋向抗傾覆性能。

(1)在作用基本組合下,單向受壓支座始終保持受壓狀態[3]。

(2)當整聯只采用單向受壓支座支承時,符合公式(1)要求[3]。

(1)

式中:ki為抗傾覆穩定系數;kqf為橫向抗傾覆穩定系數;∑Sbk,i為使上部結構穩定的作用基本組合(分項系數均為1.0)的效應設計值;∑Ssk,i為使上部結構失穩的作用基本組合(分項系數均為1.0)的效應設計值。

驗算結果如表2、表3所示。

表3 抗傾覆穩定性系數驗算

4.6 橫梁驗算

G07號墩橫梁應力驗算結果如圖10、圖11所示?？芍狦07號墩橫梁的最大正應力與最大剪應力分別為:σmax=102.8 MPa,τmax=19.8 MPa, 均滿足規范要求。

圖10 G07號墩外伸橫梁正應力計算結果(單位:MPa)

圖11 G07號墩外伸剪應力計算結果(單位:MPa)

5 關鍵節點設計

5.1 支座防脫空設計

小半徑曲線橋因主梁內外側弧線差異較大,在結構自重、二期恒載等恒載工況下會產生較大的扭矩。此外,受溫度、汽車偏載等其他荷載作用效應疊加,主梁支座非常容易脫空,需要對支座進行防脫空驗算及設計。本橋采用連續鋼箱梁主梁,邊中跨比較小,且一期恒載較小,因此相對于混凝土橋梁而言,支座更容易脫空,設計采用“壓重”措施防止支座脫空,壓重材料選用鐵砂混凝土,容重為35 kN/m3?！皦褐亍眳^域結合結構計算結果合理設置,為防止鋼箱梁截面內力發生突變,同時避免鋼箱梁底板產生過大的第二體系應力,壓重區域不宜過長。部分墩頂處鋼箱梁橫向可采用單側壓重,保證最不利荷載組合工況下各支座反力值富余≥100 kN。

5.2 橫隔板設計

鋼箱梁橫隔板對正交異型橋面板起支撐作用。橫隔板可以限制薄壁鋼梁發生畸變和橫向彎曲變形,防止梁體局部失穩[1]。橫隔板作為第二體系計算中帶縱肋橋面板的支撐,其布置方式也影響橋面板縱向應力。本橋為小半徑曲線橋梁,為控制主梁應力水平并提高結構局部穩定性,設計采用實腹式橫隔板,隔板間距≤2 m。隔板之間布置一組腹板豎向加勁肋,隔板及豎向加勁與頂底板正交布置。對于斜交橋墩,橫隔板布置一般采用斜交(橫梁與支承線配置成平行)和正交(橫梁與主梁配置成直角)兩種方式[4-5]。本橋綜合考慮結構受力特點及施工工藝等因素合理布置墩頂附近范圍橫隔板,其平面布置如圖12所示。

圖12 墩頂橫隔板布置(單位:mm)

5.3 外伸隱橫梁設計

城市橋梁經常遇到由于地面空間受限無法采用常規立墩方式的情況,一般可采用的做法是將橫梁外伸到可以立墩的位置。外伸橫梁梁高需根據橫梁計算確定,與外伸橫梁的跨度、主梁與橫梁的交點位置有關。一般對于主梁居中的外伸橫梁,橫梁高跨比可按1/10～1/15試算。

本橋G07號墩即采用了主梁橫梁外伸,利用地面輔道兩側人行道空間立墩的方式。橫梁跨度達32.9 m,采用2.6 m梁高,高跨比為1/12.7。外伸部分橫梁寬度2.6 m,橫梁采用單箱三室截面,頂底板厚度32 mm,腹板厚度24 mm。橫梁跨度方向設置橫向加勁隔板,隔板間距1.5～2 m,隔板上開設人孔。橫梁梁高比主梁大,與主梁交叉處利用主梁腹板及局部增設加勁肋實現主梁局部加高,同時保證主梁縱向加勁連續布置。橫梁立面及橫斷面構造如圖13、圖14所示。

圖13 橫梁立面構造(單位:mm)

圖14 橫梁橫斷面構造(單位:mm)

應特別注意的是,本橋外伸橫梁由于橫梁跨度大,橋墩位置處主梁有很大的豎向撓度,需要通過設置橫向預拱度加以補償,本次設計同時給出了主梁及橫梁的預拱度設計值。

6 結 語

(1)相對直線橋而言,小半徑曲線鋼箱主梁“彎扭耦合”作用下的空間效應尤為明顯?？傮w設計時應在保證經濟性的前提下,合理選取主梁高跨比,適當加大梁高,以提高主梁截面整體抗彎及抗扭剛度。

(2)小半徑曲線鋼箱總體設計時應適當加密橫隔板布置間距。當橋梁采用斜交布置時,應重視支點處橫隔板設計。橫隔板布置方式應結合結構受力特點及施工拼裝難易程度合理選擇。

(3)小半徑曲線鋼箱梁應尤其重視結構抗傾覆設計,應采用多支座體系并嚴格按照規范進行兩個特征狀態下的抗傾覆穩定性驗算,并考慮一定的安全儲備。若抗傾覆驗算不滿足要求,可采取加大支座間距、梁體壓重等措施。梁體壓重區域應結合結構計算結果合理設置,不宜過大。

(4)帶有外伸隱橫梁的曲線鋼箱梁,可考慮簡化邊界條件,對橫梁進行獨立計算,但應結合結構受力特點合理建模分析,并保證一定的結構安全富余度。若橫梁跨度比較大時,需同時考慮主梁及橫梁預拱度設計。此外,應重視橫梁與主梁交叉點的細節設計。