大跨径连续钢箱梁设计方法

2012-09-25戴少雄

城市道桥与防洪 2012年3期

戴少雄，谢斌

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 前言

西纵联络线立交为快速路北横快速通道与西纵快速通道相交的大型互通立交，包括北横与天泰路立交、西纵与新红路立交，该项目同时也是天津西站交通枢纽配套市政公用工程。其中北横与天泰路立交桥梁面积43 177 m2，西纵与新红路立交桥梁面积77 909 m2，桥梁总面积121 086 m2，见图1。

图1 西纵联络线立交鸟瞰图

立交两次跨越子牙河：北横桥跨越子牙河采用拱形独塔斜拉桥，斜拉桥主跨145 m，河道中不设置墩柱，一跨过河，见图2；西纵桥采用连续钢箱梁跨越子牙河，主跨100 m，河道中设置一根墩柱，见图3。

本文主要介绍西纵跨河桥大跨径连续钢箱梁的设计方法。

1 桥型方案比选

图2 北横桥跨河桥

图3 西纵桥跨河桥

西纵主线桥分左右幅桥跨越子牙河，两幅桥之间为既有新红桥。桥址跨越子牙河位置河口宽度约90 m，桥位与河道斜角，交角约55°。如桥梁一跨跨越河道主跨需大于200 m，在方案比选时，200 m跨由于工期无法满足要求，因此，方案设计中增加水中墩与既有新红桥河道中墩柱对齐，经反复研究，最终确定Z线桥跨河段跨径为95 m+100 m，Y线桥为100 m+68 m，将桥梁主跨减小至100 m。

主跨100的可供比选的主要梁型有预应力混凝土梁桥，结合梁桥以及钢箱梁桥。由于桥梁跨越子牙河，为尽量缩短施工周期，计划采用支架施工。预应力混凝土梁桥的缺点在于自重大，这将增加支架基础工程量从而增加工期；而结合梁桥跨径在100 m时，若采用连续结构，对混凝土材料的要求将使设计难度、施工难度大大增加，而且建成通车后可能出现的桥面混凝土开裂问题极难解决；经比选钢箱梁桥自重轻，架设速度快，连续跨越能力强，为本节点最佳方案。

2 大跨径钢箱梁设计

2.1 总体布置

以Z线跨河桥为例，跨径布置为68 m+95 m+100 m+60 m，总长323 m。上部结构采用变截面钢箱梁，边支点梁高3 m，中支点梁高5 m，梁高变化段长28 m，变化线形为二次抛物线。

钢箱梁为单箱双室直腹板断面，单个箱室宽度为3.375 m，两侧悬臂各3 m，钢梁底宽6.75 m，桥面全宽12.75 m。钢梁断面见图4。

图4 钢箱梁横断面（单位：mm）

2.2 主钢板厚度拟定原则

钢箱梁主要由顶板、底板、腹板构成。其中，底板厚度多由计算确定，腹板厚度多由构造确定，同时考虑通过计算进行修正。

支点处的顶板厚度由计算确定，本文主要论述标准段顶板厚度的确定方法。顶板厚度最小值根据桥面铺装形式确定，本桥为钢桥面，铺装为浇筑式沥青混凝土，通过计算并结合近年来钢桥面板使用经验，在顶板厚度小于14 mm时，结构刚度偏弱，桥面铺装易损坏。通过不同板厚及U肋厚度和组合，建立空间有限元板壳模型，分析了局部轮载作用下桥面结构的受力状态，并对桥面板和加劲肋厚度常用尺寸参数进行优化分析，分析比较结果见表1。桥面板活载引起的应变、变形见图5、图6。

从以上分析可以看出，采用14 mm厚的顶板时，桥面板刚度偏小，应力偏大较多，且桥面板厚度比U肋厚度对桥面结构受力影响显著，综合考虑结构刚度、耐久性等因素后，采用16 mm桥面板+8 mm U肋的组合方案比较合理。

表1 桥面板与加劲肋优化组合次序

图5 桥面板活载引起应变

图6 桥面板活载引起变形

2.3 连续钢箱梁整体分析

整体分析计算采用桥梁博士3.2.0，结构验算采用Midas Civil 2010。桥梁总长323 m，每个单元长度不大于1 m。约束方式为中间支点水平与竖向均约束，其它4个支点只约束竖向，计算模型见图7、图 8。

图7 整体分析离散模型

图8 支点板单元模型

计算应采用同一模型，对不同顶、底、腹板厚度进行试算，从而确定合理的板厚。在计算结果比较时，必须注意的是，根据《英国标准BS5400》中关于剪力滞后的规定，采用杆系模型计算时，必须考虑支点处有效宽度的折减，在本桥计算中，实际折减系数钢箱梁上缘约为0.667，下缘约为0.741，这与按照空间模型计算的结果极其吻合。