福建沙埕湾跨海大桥主桥钢箱梁设计

■黄晓伟

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

1 概述

沙埕湾跨海公路通道是国家公路网宁波至东莞高速公路和海峡西岸经济区高速公路网“三纵八横”主骨架中的“第二纵”跨越沙埕湾的关键性工程。沙埕湾跨海大桥为其控制性工程,大桥位于福鼎市佳阳乡竹甲鼻附近，以主跨535m的主桥跨越竹甲鼻与青屿岛之间的北汊水域(水面宽约485m)。主桥采用双塔双索面单侧混合梁斜拉桥[1](见图1)，北边跨为混凝土梁，中跨及南边跨为钢箱梁，跨径组成为(49+58+61+535+198+60)m。

2 主要技术标准

(1)公路等级：双向六车道高速公路。

(2)行车速度：100 km/h。

(3)车辆荷载等级：公路-I级。

(4)桥宽：1.2 m(风嘴)+1.5m(人行道)+1.05m(索 区)+0.5m(防撞护栏)+3.0m(紧急停车带)+3×3.75m(行车道)+(0.75m+2m+0.75m)(中间带)+3×3.75m(行车道)+3.0m(紧急停车带)+0.5m(防撞护栏)+1.05m(索区)+1.5m(人行道)+1.2 m(风嘴)=40.5m。

3 钢梁断面

主梁采用封闭扁平流线形钢箱梁(见图2)，主要轮廓尺寸为：含风嘴底板宽8.85+22.8+8.85=40.5m，中心线处梁高3.204m。桥面设置2.5%双向横坡。根据结构受力性能以及桥梁所处地区的温度条件，考虑桥址处低温、焊接、疲劳等因素，主梁采用Q345qD桥梁用结构钢。

图1 沙埕湾跨海大桥主桥桥型布置(单位：m)

图2 沙埕湾跨海大桥主桥钢梁横断面(单位：m)

3.1 钢梁顶板

顶板在纵桥向均采用16mm板厚，横桥向靠近外腹板的锚固区2880mm范围内增强至20mm板厚，以利于斜拉索索力的扩散。

顶板除了中央分隔带及靠近外腹板处设置16mm厚板肋外，其余部位均采用U型加劲肋加劲。U肋上口宽300mm，下口宽180mm，基本间距600mm。U型加劲肋根据其所支撑顶板厚度的不同，采用8、10mm两种厚度(16mm顶板采用8mm加劲肋，锚固区20mm顶板采用10mm厚加劲肋)。采用上述措施，有利于提高桥面板刚度和抗疲劳性能，减少桥面铺装病害的发生。

3.2 钢梁底板

底板包括水平底板和斜底板两部分。根据结构受力需要，水平和斜底板在顺桥向按照梁段分别采用了12mm～20mm不同板厚，其中结合段附近的梁段和塔区梁段板厚为20mm，墩顶压重区梁段板厚为16mm。其余梁段板厚均为12mm，底板顺桥向不同板厚相接保证底板顶缘对齐。

底板采用U型加劲肋加劲，基本间距800mm。加劲肋厚度根据其所支承底板厚度的不同，在6～8mm之间变化(12mm、14mm厚底板采用6mm厚加劲肋，16mm、20mm厚底板采用8mm厚加劲肋)。

3.3 钢梁腹板

外腹板厚度均为30mm。为保证其具有足够的抗压屈能力，设置两道240×24mm水平加劲肋。拉索锚固区再增设两道200×20mm水平加劲肋，以增大外腹板刚度。

3.4 钢梁横隔板

钢箱梁内的横隔板均采用板式横隔板，横隔板标准间距为3m和3.75m，可以保证钢箱梁具有足够的横向刚度、抗扭刚度，满足支承其上的正交异性板的局部变形的要求，改善桥面铺装受力状态。非吊点处横隔板厚度为10mm，在拉索锚固处加厚至16mm，支座安装处等特殊部位根据受力需要，采用了不同板厚。在钢箱梁起吊过程中，为防止桥面吊机前支点处主梁出现过大的应力集中，主梁在吊机前支点对应的横隔板处设置前支点横隔板加劲构造。

根据钢箱梁横隔板制造工艺要求，横隔板制造方式有：搭接式横隔板，整体式横隔板，分块式整体横隔板3种方式。

(1)搭接式横隔板

搭接式横隔板将隔板分成三部分，上下连接板及搭接板。由于在钢箱梁总拼前可以将上下连接板分别与顶、底板焊接，总拼时再焊搭接板，焊缝质量容易控制，避免了仰焊。但搭接式横隔板存在受力偏心的问题，对钢箱梁总体受力不利。

(2)整体式横隔板

整体式横隔板不存在连接板和搭接板，受力明确，减少了横位对接焊缝，残余变形较小，工装控制简单。但整体式横隔板导致了横隔板与面板U肋焊缝之间须仰焊，同时，对接困难会导致大量配切工作，总体质量难以控制，面板单元耐久性降低。

(3)分块式整体横隔板

分块式整体横隔板分成2～3部分，顶板连接板、底板连接板和横隔板。分块式整体横隔板避免了受力偏心，避免了仰焊，采取了搭接式和整体式的优点。

该桥横隔板设计选择分块式整体横隔板，梁内横隔板由上、下两块板组成，上、下板熔透对接。上板与顶板单元一起组装，板块间采用熔透对接的方式相连。

3.5 钢梁纵隔板

梁段内横向设置两道纵隔板。由于正交异性板的横向刚度很小，在桥面车轮荷载作用下，桁架式纵隔板(见图3)桁架杆件与顶板连接处的疲劳应力幅较大，在已有桥梁上发现桁架杆件出现疲劳开裂。考虑到纵隔板采用桁架式对钢材用量减少有限，且施工不便，为稳妥起见，所有梁段均采用实腹板式。

图3 桁架式纵隔板疲劳开裂示意

实腹板式纵隔板采用整体式，由上、下两块板组成，上、下板熔透对接。根据受力需要，采用了12、16、20和24mm四种板厚。由于纵隔板高厚比较大，为保证其具有足够的抗压屈能力，设置了三道T型加劲肋。

3.6 U肋焊接设计

据目前钢箱梁的调查统计显示，U肋和顶板连接处焊缝位置出现的疲劳开裂最多。由于纵向U肋内部空间狭小，U肋内侧与钢桥面间无法焊接，U肋与钢桥面连接只能采用U肋外侧单面焊的传统连接方式。为提高U肋和钢桥面连接部位的疲劳性能，本工程桥面板U肋焊接采用U肋内焊技术。

与单面焊相比，U肋双面焊技术(见图4)增加焊缝截面积，并且双焊缝形心与U肋肋板形心对应，采用U肋双面焊技术可大幅降低局部轮载作用下，U肋焊缝焊根处及桥面板焊趾处的应力幅值，从而避免从焊缝焊根处萌生的疲劳裂纹问题，同时也大幅提高了桥面板焊趾处疲劳性能。

钢桥面板制作过程中应按以下工艺流程进行施工：U肋板单元组装定位→U肋内焊→U肋外焊→U肋板单元矫正→转下道工序。正交异性钢桥面U肋板单元关键制造工序见图5。

3.7 索梁锚固

目前钢箱梁常见的索梁锚固型式主要有3种：锚箱式锚固、耳板式锚固和锚拉板锚固3种(见图6)。

(1)锚箱式锚固

锚箱式锚固结构是在腹板外侧焊接箱形结构,拉索锚固在锚箱的承压板上,主要由2块锚固板、承压板、锚固板间的加劲板、锚固板上的加劲板、垫板构成。斜拉索拉力是通过锚固板和承压板与腹板连接的焊缝,以剪力的形式传递到腹板上,腹板上的力通过横隔板、顶板和底板,传递到整个截面,并均匀扩散。斜拉索锚头置于风嘴内，景观效果好。

(2)耳板式锚固

图4 U肋焊缝示意

图5 正交异性钢桥面U肋板单元关键制造工序图

图6 斜拉索的三种梁端锚固形式

耳板式锚固是斜拉索锚头、销接连接件、锚固耳板及补强板组成，主梁外腹板向上伸出耳板，斜拉索直接通过销接连接件与耳板连接。由于耳板在销孔附近的局部应力较大，要求钢材具有很高的屈服强度和较大的板厚度，给材料采购和制造加工带来困难，当索力较大时，耳板材料问题更为突出。

(3)锚拉板锚固

拉板式连接是将钢板作为拉板,拉板上部开槽,槽口内侧焊接于锚管外侧,斜拉索穿过锚管并锚固在其底部；下部直接用焊缝与主梁顶缘焊接。索力通过锚管与拉板间的焊缝将索力传递给锚拉板，再通过拉板与钢梁顶缘的焊缝，将索力传递给钢梁。拉板与锚管、拉板与主梁顶板焊缝是受力的关键,但应力集中非常严重,尤其后者受竖向拉应力、纵向剪应力和纵向拉应力共同作用，应力状态负责。位于拉板下缘的主梁顶板需要增加钢板的Z向性能，确保拉板与主梁顶板焊缝处的结构质量。

通过研究比选，本桥采用锚箱式锚固形式，主梁外腹板和承压板内侧均设置补强板，以利于锚固处的应力合理分散到主梁上。为使承压板的压弯曲较小，承压板及其垫板采用不同的板厚，并将承压板做成四边支撑的构造。根据斜拉索索力的不同和锚箱板件受力情况，将锚箱构造分成了M1～M4共四种类型。

4 钢混结合段

钢混结合段位置的合理设置[5]，能较流畅地承受并传递各种作用产生的内力及变形。接头位置应具有良好的抗疲劳性和耐久性，外形上也要求钢梁和混凝土梁过渡一致。

图7 结合段纵剖面图(单位：mm)

预应力混凝土梁与钢梁的连接位置宜选择在弯矩和剪力均较小的区域，一般设在桥塔附近，可以在边跨侧，也可以在中跨侧。本桥钢混结合段(见图7)设在中跨侧距北塔中心12.5m位置，此处弯矩和剪力均较小，结合段采用后承压板连接方式，长度为2m。

与混凝土连接的钢箱梁，顶、底板和腹板均伸入2m长度至混凝土梁中，全断面连接形成一体。钢梁与混凝土结合部位较大的轴向力，通过承压板紧贴混凝土梁传递。主梁顶、底板通过抗剪焊钉与混凝土牢固结合，并利用混凝土梁内的纵向预应力束加以锚固，形成弯矩传递。梁中的剪力通过端面焊钉传递。此外钢板与混凝土间的摩阻力和粘结力也可发挥作用，结构有足够的安全性保障。

5 结语

受气候以及地理位置等因素的影响，对钢箱梁的工作性能要求较高。在该桥的设计过程中，对钢箱梁的构造细节设计采取了较多的改进措施，如区别对待内、外侧车道桥面系构造，U肋焊接采用双面焊,采用实腹式纵隔板等，设计同时对钢结构加工提出了适当的工艺要求，保证了钢结构成品的整体质量，提高了结构的耐久性能。