單箱雙室鋼箱梁彎橋設(shè)計與分析

劉洪進(jìn)

（淄博市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 淄博255000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

在城市立交橋和交通樞紐中由于受地面道路和地下空間影響，小半徑匝道橋跨徑往往超過20m，這種小半徑大跨徑彎橋需采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式。淄博火車站南廣場上下落客平臺的匝道橋需跨越地面道路和地下車庫的進(jìn)出通道，其第二聯(lián)位于半徑為50m的曲線段上，跨徑布置為2孔36.5m，經(jīng)方案比選該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用斜腹式雙室鋼箱梁。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市次干路；

（2）設(shè)計速度：30 km/h；

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)：城-A級；

（4）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a；

（5）凈空：不小于4.5m；

（6）設(shè)計安全等級：一級。

2 結(jié)構(gòu)概述

本聯(lián)受地面道路及視距影響，中墩為直徑1.7m鋼柱，柱內(nèi)灌注混凝土，墩梁固結(jié)。

鋼箱梁總寬為9.0m，頂板寬8.8m，底板寬5.38 m，梁高1.78 m，翼緣板長1.5 m，單箱雙室。為與其他聯(lián)外形相統(tǒng)一，外側(cè)腹板采用斜腹板，內(nèi)側(cè)中腹板采用直腹板。

箱內(nèi)橫隔板間距3.6m，橫向加勁肋間距3.6m，腹板橫向加勁肋間距1.8m。

箱梁頂板通長厚16mm，邊支點3m內(nèi)底板和腹板厚16mm，中支點5.5m內(nèi)底板厚28mm，腹板厚16mm；底板、腹板跨中厚皆為12mm。

全橋頂?shù)装蹇v向為板式加勁肋，高180mm，厚16mm，頂板橫向間距300mm，底板橫向間距450mm。

頂?shù)准案拱鍣M向加勁板寬400mm，厚12mm。

橫隔板厚12mm，內(nèi)留1 000mm×868mm入口，入口四周設(shè)置150mm×12mm加勁肋。

邊支點2m內(nèi)，中支點5m內(nèi)灌注C30微膨脹混凝土。

邊支座間距為3.5m，內(nèi)外支座設(shè)置預(yù)偏心，內(nèi)側(cè)支座距離中線600mm，外側(cè)距離中線2 900mm。中墩為在中線處固結(jié)。

鋼箱梁頂面設(shè)置10 cm厚C55鋼纖維混凝土層，內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)片。橋面鋪裝采用10 cm瀝青混凝土。斷面構(gòu)造見圖1。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

3 構(gòu)造校核

3.1 頂板及加勁肋厚度

滿足《鋼橋規(guī)》第8.2.1條規(guī)定：頂板不小于14mm要求，加勁肋最小板厚不應(yīng)小于8mm。

3.2 受壓板件加勁肋幾何尺寸校核

根據(jù)《鋼橋》規(guī)定：hs/ts≤12×345/fy180/16=11.25≤12×45/345=12，符合規(guī)范5.1.5-1要求。

3.3 受壓加勁板的剛性加勁肋相對剛度要求復(fù)核

單寬板剛度D=Et3/12（1-υ2）=206 000×163/12×（1-0.312）=77 790 316N·mm

縱向加勁肋相對剛度γl=EIl/bD=206 000×31 104 000/（3 208×77 790 316）=25.68

加勁板的長寬比α=a/b=1 800/3 208=0.561符合規(guī)范5.1.6-1要求。

Axl=180×16=2 880 mm≥bt/10n=3 208/（10×11）=29.16mm符合規(guī)范5.1.6-2要求。

4 計算分析

采用Civil Designer對橋梁進(jìn)行整體驗算，全橋建立80個單元，中墩與鋼箱梁固結(jié)與主梁模型一并建立。各種荷載工況根據(jù)實際情況結(jié)合規(guī)范要求執(zhí)行，計算模型見圖2。

圖2 模型視圖

4.1 拉/壓彎構(gòu)件腹板應(yīng)力驗算

腹板應(yīng)力包絡(luò)圖見圖3。

圖3 拉/壓彎構(gòu)件腹板應(yīng)力驗算包絡(luò)圖

按照《鋼橋規(guī)》公式5.3.1-3τd=γ0τ≤fvd、f≤1驗算，τd=82.617 MPa≤fvd=160.000 MPa、f=0.714≤1，滿足規(guī)范要求。

4.2 拉/壓彎構(gòu)件腹板最小厚度及其加勁肋驗算

本橋腹板僅設(shè)置橫向加勁肋，不設(shè)置縱向加勁肋。其腹板最小厚度計算根據(jù)規(guī)范5.3.3條有關(guān)規(guī)定計算。

滿足規(guī)范5.3.3要求a/hw=900/1 786.7=0.504＜1。

（hw/（100 tw））4（（δ/345）2+(τ/（58+77（hw/a）2））2）=（1786.7/（100×12））4×（（54.28/345）2+（24.89/（58+77×（1 786.7/900）2））2）=0.145＜1，符合規(guī)范5.3.3-1b要求。

腹板橫向加勁肋慣性矩It=12× 4003/12=64 000 000mm4

大于3hwt3=3×1 786.7×123=9 262 252.8 mm4滿足規(guī)范5.3.3-4要求。

4.3 拉/壓彎構(gòu)件翼緣板彎曲正應(yīng)力驗算

主梁截面應(yīng)力包絡(luò)圖見圖4。

圖4 拉/壓彎構(gòu)件翼緣板彎曲正應(yīng)力驗算包絡(luò)圖

按照《鋼橋規(guī)》公式5.4.1-1σ=γ0Nd/Aeff+γ0·（My+Ndez）/Ay，eff+γ0（Mz+Ndey）/Az，eff≤fd驗算，σ=197.065MPa≤fd=275.000MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4 拉/壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定驗算

根據(jù)《鋼橋規(guī)》第5.3.2條規(guī)定，主梁截面滿足第1款規(guī)定，可不計算梁的整體穩(wěn)定性。

4.5 抗傾覆驗算

按《鋼橋規(guī)》第4.2.2條規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)采用整體式截面的梁橋在持久狀況下結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并應(yīng)按規(guī)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(tài)。

按照《鋼橋規(guī)》第4.1.8條驗算：支座反力Fz＞0，滿足規(guī)范要求。

各支座中，某節(jié)點最不利時，橫向抗傾覆軸穩(wěn)定性系數(shù)皆大于橫向抗傾覆軸穩(wěn)定性系數(shù)允許值k=2.5，滿足規(guī)范要求。

表1 傾覆驗算-支反力表格

表2 傾覆驗算-穩(wěn)定系數(shù)

4.6 撓度驗算及預(yù)拱度

按《鋼橋規(guī)》第4.2.3條規(guī)定，計算豎向撓度時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法并應(yīng)采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0，計算預(yù)拱度見表3。

表3 撓度驗算及預(yù)拱度表格

按照《鋼橋規(guī)》第6.5.3條驗算：20號節(jié)點汽車荷載（不計沖擊系數(shù)）和人群荷載頻遇組合最大撓度設(shè)計值fd=30.932≤最大撓度允許值fn=72.078，滿足規(guī)范要求。

58號節(jié)點汽車荷載（不計沖擊系數(shù)）和人群荷載頻遇組合最大撓度設(shè)計值f d=29.601≤最大撓度允許值fn=72.079，滿足規(guī)范要求。

4.7 疲勞驗算

《鋼橋規(guī)》第5.5.4條規(guī)定，疲勞荷載計算模型I和第5.5.5條規(guī)定，疲勞荷載計算模型Ⅱ計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 疲勞驗算正應(yīng)力包絡(luò)圖

圖6 疲勞驗算剪應(yīng)力包絡(luò)圖

按照《鋼橋規(guī)》第5.5.4條驗算：疲勞正應(yīng)力驗算滿足規(guī)范要求；疲勞剪應(yīng)力驗算滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，城市交通樞紐處小半徑大跨徑鋼箱梁彎橋日趨增多，做好該類橋梁設(shè)計需進(jìn)行詳細(xì)、全面的構(gòu)造設(shè)計和計算分析。本文可為類似工程提供參考和借鑒。

（1）曲線半徑50m的匝道橋其跨徑超過20m時需考慮鋼箱梁設(shè)計。

（2）橫向?qū)挾却笥?m的鋼箱梁可考慮采用兩室單箱斷面形式，可根據(jù)要求設(shè)置成斜腹式。

（3）小半徑鋼箱梁頂板加勁肋宜采用板式，方便加工預(yù)制。

（4）鋼箱梁設(shè)計除進(jìn)行整體計算分析外，其構(gòu)造要求需滿足規(guī)范規(guī)定。