大跨径连续钢箱梁设计探讨

2016-01-28张维中交第二公路勘察设计研究院

黑龙江交通科技 2015年4期

关键词：设计

张维(中交第二公路勘察设计研究院)

大跨径连续钢箱梁设计探讨

张维
(中交第二公路勘察设计研究院)

摘要:作为工程建设中的常用构造形式，大跨径连续钢箱梁可有效改善高速公路和城市道路工程建设质量。本文以某跨河桥为例对大跨径连续箱梁设计进行分析，然后探讨了其结构计算及内力调整方法，以期为相关技术与设计人员提供参考。

关键词:大跨径;连续钢箱梁;设计

中图分类号:U442

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)04－0135－01

1　大跨径连续箱梁构造设计

1. 1总体布局

跨径按照63 m + 100 m + 60 m的方式布置，总长度为223 m;梁高变化段长度控制在28 m左右，采用二次抛物线的变化线形;上部结构使用变截面钢箱梁，中支点梁高度控制在4 m，边支点梁高控制在3 m。箱梁采用单箱单室直钢腹板断面，单箱宽度为6．75 m，两侧均采用3 m的悬臂，桥面整体宽度为12．75 m。

1. 2支点构造分析

支点处的横梁一方面要依据构造需求对加劲板进行设计，另一方面要做好局部应力分析。依据Midas Civil2010板单元模型进行计算分析，结果发下支座上部横梁存在严重的应力集中问题。为降低支点位置横梁应力，可在支点周围设置横梁，并将横梁同支座加劲板相连接，使其发挥协同作用以降低局部应力集中。依据统计分析结果发现，此种构造方式局部应力可降低45%以上。

1. 3连续箱梁整体分析

采用桥梁博士3．2．0对箱梁进行整体统计计算，结构验算主要使用Midas Civil2010。桥梁不同单元的长度均在1 m以下，中间支点采用竖向及水平结合约束方式，其余4个支点则采用竖向约束方式。

(1)桥面与桥梁间可采用纵横双向和纵向结合方式，采用纵横双向结合方式会增大钢筋使用量，其板厚可通过横向力进行调整;采用纵向结合方式，混凝土板的横向受力方便控制，可通过预应力对板厚进行调整。在本桥梁设计中采用纵向结合方式，并配置固定量的横向预应力束，以满足纵向受力及横向受力的需求;

(2)因桥梁采用连续钢箱梁结构，需考虑负弯矩影响，负弯矩一般会存在中间墩周围，其会使上缘混凝土保持受拉状态。由于桥梁跨径较大，使用的结构钢梁相对较大，所以在设计中桥面铺装选择用铺装环氧沥青或者安装钢纤维混凝土与剪力钉的方式来进行处理。本工程选择以铺装环氧沥青的方式进行施工，首先应保证混合料的质量，将其温度控制在180～190℃，沥青加热温度控制在170℃，环氧树脂加热温度控制在60℃，最终环氧沥青混凝土出料温度应该为165℃左右，这样可以满足压实施工所需温度，保证碾压质量满足施工要求。其次，在摊铺碾压时，要求所有机械设备都应该在桥面范围意外，在铺装过程中不允许停机加油。碾压设备确定为3台轮胎式压路机，2台双钢轮压路机，组合式碾压，最终将最小压实度控制在97%以上。最后，还需要做好接缝处理，其中铺装层横、纵施工缝都采用45°斜接缝方式，切缝后应将切除的部分清除，并以钢刷去除不稳定颗粒，保证工作面干净无杂物。

1. 4主钢板厚度拟定

钢箱梁主要由底板、顶板及腹板构成。底板厚度可通过统计计算进行设定，腹板厚度则通过构造方式进行设定，且可利用数学模型进行修正。

支点附近的顶板厚度通过计算设定，此处主要探讨标准段顶板厚度的设定方法。顶板厚度的下限值可由桥面铺装方式决定，本桥梁采用钢桥面，使用沥青混凝土进行浇筑铺装，依据计算并分析以往钢桥面实践经验，当顶板厚度在14 mm以下时，结构刚度常常不足，桥面铺装很容易受到破坏。将不同板厚与U肋厚度进行组合，构建空间有限元板壳模型，对局部荷载条件下的桥面结构受力情况进行分析，且优化比较桥面板与加劲肋厚度通用尺度参数。桥面板与加劲肋优化组合参数如表1所示:

表1　桥面板与加劲肋优化组合次序

在上述分析中可发现，当顶板厚度采用14 mm时，桥面板的刚度过低，应力集中且较大，同时相比U肋厚度，桥面板厚度对桥面结构受力影响更大。因此在综合分析结构耐久性和刚度等因素基础上，选用16 mm的桥面板与8 mmU肋进行组合具有更高的合理性。

1. 5钢梁与加劲结构

本桥梁工程腹板最高可达到4 m，并且厚度比较大，为了保证桥梁结构稳定性，除了要设置足够数量横向加劲板同时还需要设置更多的纵向加劲肋。结合工程数据，在设置纵向加劲肋时，不同高度腹板对应的纵向加劲肋数量以及位置不同，再加上主梁顺桥向不同位置具有的弯矩、剪力以及局部竖向力等不同，在设计纵向加劲肋位置以及数量时，应结合腹板厚度、高度以及各局部要求进行计算，保证全桥腹板安全性、经济性。

钢桥面板加劲肋截面形式主要包括开口与闭口两种，与之对应的加劲肋为开口加劲肋与闭口加劲肋，其中开口加劲肋包括L形、平钢板形以及倒T形，闭口加劲肋包括矩形、梯形以及U形等。通过设置加劲肋能够提高腹板抗扭劲度与抗弯刚度，减小钢板应力，加劲肋壁厚与开口形状的确定，应以桥梁工程实际需求来确定。

2　大跨径连续箱梁结构计算及内力调整

2. 1结构计算模型

采用MIDAS通用结构分析软件对工程整体实施空间有限元计算分析及内力调整。计算时需重点分析底板及顶板加劲肋的影响，因此使用折算为底、顶板厚度的方式同时对应力和刚度实施等效模拟，以确保设计截面与简化截面具备一致的抗弯模量及抗弯刚度。折算后顶板厚度提高3 mm，底板厚度提高2 mm，此种处理方式可有效促进模型简化，提高运算效率，可大幅度优化施工阶段的主梁位移与内力调整和控制试算过程。

2. 2内力及线形调整方式

桥梁在进行施工方案设计及制定时，需考虑在立交上层中央分隔带附近安置临时支撑墩;若无法安置则跨中间一定长度的梁段可采用简支方式进行安装。为确保桥线形与设计值有效接近，钢梁应力满足设计要求，应采用相邻跨跨中顶升，等到纵向连接构造成桥型后再将临时墩拆除，类似于通过作用反向力来对线形和内力进行调整。

2. 3施工方案

选择顶推方式进行施工，此种方式具有机械设备简易，节省施工用地等特点，整个操作过程相对简单。并且此种施工方式，模板可以周转，不会对已存道路造成影响。施工主要可以分为搭设临时墩、钢箱梁拼接、安装滑动装置、钢箱梁顶推到位、落梁等几个步骤，其中最后一个步骤落梁需要尤其注意，应提前做好各阶段管理工作，安排好相应施工人员，并配置相关设备与通讯器材等，在完成技术交底的情况下统一指挥进行施工。整个施工过程中必须要完全按照设计施工方案来进行，并做好施工记录，以免事故的发生。