高架连续组合钢箱梁结构设计

杨民荣

（上海科美钢结构有限公司 200235）

引言

在进行高架连续组合钢箱梁的结构设计过程中，应当考虑到连续组合钢箱梁结构的通用性能比较理想，因此能够根据具体运行的情况进行跨径的布设，同时在对建筑高度尺寸进行分析的前提下，考虑到建筑外部美观效果的影响，对于高架连续组合钢箱梁的高度进行合理调整，进而减少钢材的使用数量，降低工程造价，连续组合钢箱梁荷载比较轻，因此应当开展偏心调节等有效方式，让边墩的两个支座的受力保持平衡，避免支座装置发生脱空情况，而且可以对城市中高架桥梁以及焊接工艺的性质进行分析，对疲劳强度计算方式进行修订补充。

1 项目简介

2015年7 月～2018年3月，S7公路（S20-主线收费站）新建工程墩号Pne 9～Pne 12（32+43+32m）高架连续组合钢箱梁进行了结构设计工作。

连续组合钢箱梁梁宽10m，总长107m，共分3跨，跨度为32m、43m、32m。梁下部设两根钢箱梁，梁宽2.6m，高2.25m，两根钢箱梁内侧腹板间距3.5m，两根钢箱梁之间间隔6m设置一道横梁，横梁梁高1m。每个墩处设两个支座，中间设置支座横梁连接，Pne10墩处由于墩在横梁外侧，故设置外伸横梁连接支座。钢梁上部设0.3m厚钢筋混凝土桥面板，与钢梁一同参与受力。

根据连续钢箱梁受力特点，对钢箱梁的板厚进行了划分。中支座处受力较大，故在中支座两侧8.5m范围内设顶板厚40mm、腹板厚20mm、底板厚40mm，外伸横梁底板厚45mm。边支座处7.51m范围内设顶板厚25mm、腹板厚20mm、底板厚25mm。跨中设顶板厚30mm、腹板厚14mm、底板厚30mm。钢箱梁结构如图1所示。

钢箱梁腹板和底板稳定性要求。除间隔6m（在横梁处）设置横向隔板外，钢箱梁腹板间隔1.5m设置竖向加劲肋，距梁顶板底面0.47m处设置一道腹板纵向加劲肋；钢箱梁底板设置四道纵向加劲肋，间距0.4m。在中支座负弯矩区，钢箱梁腹板在距梁底板顶面0.47m处设置一道腹板纵向加劲肋；钢箱梁底板间隔1.5m设置“T”形横向加劲肋。钢梁上部钢筋混凝土桥面板，为了与钢梁一同参与受力在钢梁顶板上设置剪力钉，剪力钉间距支座处0.2m、跨中0.3m。在中支座负弯矩区，桥面板顶面增设负弯矩钢筋。

图1 钢箱梁断面结构示意图

结构合理布置后，建立空间模型，经软件计算后，结构的各项指标均满足规范要求，经过评审，顺利完成设计任务。

2 连续组合钢箱梁结构布置

因为地下部分管道线路以及地上交通条件的局限性，所以连续组合钢箱梁的跨径布置并没有特定的规定，不过钢箱梁的结构设计中能够利用顶板以及底板厚度尺寸的变化来对钢板内部的应力分布进行相应调整，基本上不会给设计工作和施工作业带来较大的障碍，而对于混凝土结构来说对于合理跨径的布置有一定要求，因此会在很大程度上提高设计以及施工阶段的工作强度，所以考虑到城市范围内高架线路的一定规格跨径桥梁区域内部，连续组合钢箱梁能够依靠实际条件自由进行调整，其基本特点就是对于跨径变化的适应效果比较好。

通常来说连续组合钢箱梁的截面形状为单箱单室，钢箱梁的净高度尺寸为1.8m，其底板一般设置成水平状态，钢箱梁两边的悬臂结构的长度尺寸都是2m，钢箱梁的顶部板材利用U型加劲结构，底部板材利用的是船用球扁钢加劲，而处于钢箱梁的纵向位置，相隔两米距离会设置横向的框架结构横梁装置，钢箱梁的两次利用上牛腿的性质在对应的盖梁上部进行支撑作用，并且和空心板材进行连接。

对于高架连续组合钢箱梁进行科学设计的主要要求之一是有效对钢箱梁的高度尺寸进行选择确定，通常在进行钢箱梁高度尺寸确定的过程中应当对成本因素、刚度因素以及建筑允许高度因素三者进行详细论证。通常利用成本因素能够得到组合钢箱梁的经济高度尺寸，通过实际分析研究可以知道经济高度尺寸的数值一般都比较大，和具体设计中的连续组合钢箱梁可能高度尺寸比较起来，经济高度尺寸的数值远远超过后者的尺寸，而通过刚度因素确定得到的钢箱梁最小高度数值通常都会和具体设计阶段得到的钢箱梁可能高度比较一致，不过通常在一定程度上提高钢材使用数量，当钢箱梁的高度发生变化是，不同设计指标也会相应发生改变，具体情况见表1所示。

表1 梁高变化对设计指标的影响

从表1中能够得出结论，如果在一定程度上上调连续组合钢箱梁的高度，则钢材使用数量的增加幅度不会太大，不过能够反应应力分布的钢箱梁截面抗弯模量指标有很大幅度的增加，而活载挠跨比指标则会在很大程度上降低，所以对于城市中中等跨径的高架连续组合钢箱梁设计过程中，只要钢箱梁的高度尺寸设计情况许可，最好在一定程度上调高钢箱梁的高度尺寸，最终实现降低钢材用量，提高项目经济效率的目的。

3 连续组合钢箱梁结构计算

3.1 连续组合钢箱梁整体计算

对于连续组合钢箱梁进行整体结构计算通常必须首先对连续组合钢箱梁的重要指标比如钢梁腹板剪应力、钢箱梁上缘和下缘的应力分布、不同支点的反作用力、钢箱梁的变形程度以及钢箱梁的整体内力分布进行计算，尤其是上述重要指标在不同运行阶段核定荷载以及交通工具荷载作用下的变化情况进行确定。

对于连续组合钢箱梁的剪力指标以及整体弯矩指标能够利用曲梁结构或者完全使用跨径一致的直梁结构作为计算的图式进行整体结构的计算，对于连续组合钢箱梁的曲率半径比较大的条件下，利用直梁结构进行计算得到的剪力数值和弯矩数值和实际受到的弯矩值和剪力值差别并不大，基本上可以适应规范中的设计规定。

连续组合钢箱梁以及直梁结构的基本区别就是如何对于扭矩值进行计算，对于曲梁结构来说即便是在恒定荷载影响下也会出现扭矩作用，而在存在两个支座装置进行支撑作用的位置，因为出现扭矩影响，会让两个支座装置在恒定荷载的影响下使得两个支撑出现的反作用力数值不一致，在很多情况甚至差别还会比较大。

因为上述情况，在连续组合钢箱梁的实际负载时，因为活动载荷有可能会出现负反作用力，而因为内部一个支座装置的压力荷载不够大，有很大可能发生支座装置脱空的情况，如果想要让两个支座装置的支反力实现平衡，防止在钢箱梁的运行过程中出现负反作用力，可以利用两种措施进行处理。

（1）措施是对钢箱梁单点支撑装置的横向偏距进行有效调整，对钢箱梁单点支撑装置的横向偏距进行调整的第二个作用是能够有效的对曲梁中的扭矩分布进行改变，从而可以让整个曲梁结构的抗扭情况出现比较有利的变化，同时也可以在一定程度上减少扭转的剪应力，不过对于曲梁结构的扭矩进行调整以及对两个支座结构的支反力进行调整在很多情况下无法同时实现，通常都无法在同一时间将两个指标都调整到理想效果。而在实际钢箱梁的设计过程中必须依靠项目的具体情况对钢箱梁结构进行有效分析研究，进而通过设计解决最关键的问题。

（2）措施是对两个支座装置的布置结构进行合理调节，通过调节让两个支座装置之间的距离变大，进而实现让恒定荷载的反作用力均化以及减少活动荷载负反力的效果，在本项目的设计过程中，因为设计中利用了钢制结构，恒定荷载比较小，所以边墩设施如果在交通工具荷载影响下有很大可能会产生负反力的情况，基于上述情况，最好对支撑的横向偏距指标开展有效调节，通过调节作业让边墩设备的两个支座支反力数值逐渐变得一致或者达到平衡状态。

3.2 连续组合钢箱梁局部计算

一般来说高架连续组合钢箱梁的桥面结构是包括桥面的钢制板材、框架横梁结构以及U型纵向加劲结构等部件共同构成，能够当做正交类型的异性桥面板结构，高架桥面钢制板材的纵向应力分布是在钢箱梁整体受到外界荷载作用情况下的弯曲正应力以及在受到局部桥面荷载的部分应力的组合结果。

在对U型纵向加劲构成的小型纵梁结构局部应力分布进行计算过程中，能够利用正交异性板法求解，此外还能够把纵梁结构当做弹性的支撑连续小梁来进行相应计算，使用上述措施比较简单直接，而且容易操作，完全能够适应设计规范的需求。

而对于腹板结构的剪应力计算来说：①要考虑受到竖直方向剪力导致的剪应力作用；②还必须累加因为扭矩作用导致的自由扭转的剪应力以及约束扭转剪应力的作用，而后面两种类型的剪应力所占据的比例比较大，不能进行直接省略，应当依靠腹板剪应力的数值大小，对腹板加劲进行调整，避免钢箱梁局部出现屈服现象，导致结构失去稳定。在进行局部计算过程中，还必须对高架连续组着钢箱梁两端的挑臂结构、框架横梁结构以及单点支撑支座上的横梁结构开展相应的计算。

3.3 连续组合钢箱梁的疲劳强度计算

对于公路桥梁结构，尤其是对于城市交通枢纽中的高架桥结构中，通常设计荷载是汽车20级，重型车辆重量达到300kN以上，对于一般车辆来说其重量超过200kN以上，不过在桥梁的具体运行过程中，较大吨位的车辆数量不多，在整个桥梁运行期间通过的车辆中所占的比例不高，大部分通行车辆都是吨位较小的小型汽车，根据对现有资料分析研究可以得出结论，在目前国内城市中高架桥梁运行中超过100KN以上的重型车辆数量仅仅占到通行总车辆数量的1%左右，超过2/3以上的车辆吨位不超过20kN。

在受到较长时间变应力的影响下，连续组合钢箱梁会出现疲劳性破坏情况，而同时对于焊接结构的钢箱梁来说，对于结构的疲劳强度指标能够产生主要影响的因素应当是应力幅的高低，而不是应力比的大小，但是目前国内对于公路钢制桥梁的规范中对于疲劳计算的规定则是利用应力比作为计算前提的，因此应当进行一定程度的修订和补充。

4 结论

对于高架连续组合钢箱梁的结构设计而言，因为不同影响因素的区别，在设计阶段应当对整体设计程序加以强调，并且根据实际设计要求进行详细分析判断，而在优化设计过程必须通过设计人员采取特定的设计模式作为研究基础，并且考虑到影响因素的特殊情况，在实践阶段根据施工特点开展设计工作，连续组合钢箱梁结构在高架中使用较为广泛，应当在目前常见设计规范要求下进行设计体系的优化，从而达到最终的理想效果。