简支钢箱渡槽结构设计研究

余 浪, 罗 艳, 易大伟

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610014； 2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川成都 610059)

我国地域辽阔，水资源分布不均，为了调节水资源，把远处的水引到水量不足的城镇、农村以供饮用和灌溉，渡槽应运而生。长期以来，由于跨度不大的原因，渡槽形式多采用梁和拱的形式，或从公路桥上通过。渡槽材质也主要采用砌石、混凝土、钢筋或预应力混凝土等材料建成[1-4]，极少采用有钢结构材质。由于跨越高速公路等种种原因，大跨渡槽越来越多，许多桥梁结构如桁架、斜拉或悬索也开始用于渡槽。简支钢箱渡槽作为大跨的一种，其结构构造值得研究，摸索出简支钢箱渡槽合适的结构形式和设计方法。

1 设计的主要要点

1.1 最大跨度和高跨比

简支钢箱渡槽高度宽度一般不超过3 m，其尺寸与简支钢箱人行天桥类似，钢箱渡槽可参考设计。根据文献[5]，简支钢箱人行天桥最大已做到64 m跨度，梁高2.5 m，高跨比1/25.6。大跨度简支钢箱人行桥控制设计的主要问题是人桥共振问题，而渡槽相比水的振动问题不突出，虽无桥面系等二期恒载，但承受的活载(满水)却是人行天桥承受活载(满人)的3～4倍左右，控制设计的主要是刚度问题。综上，适当增加钢板板厚，考虑其满水活载，钢箱渡槽最大跨度应能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。

1.2 断面比选

简支钢箱渡槽断面应根据引桥混凝土渡槽截面形式确定。以U形断面为例，维持渡槽内表面不变，钢箱腹板和底板做成U形，加上纵向拉通的顶板，做成封闭的钢箱结构，断面形式图1。

1.3 结构构造细节

钢箱渡槽的结构构造细节可参考钢箱人行天桥及JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》(以下简称《公路钢桥规范》[6])设置。为了美观，人行天桥或公路桥横隔板和加劲肋等构造均设置在箱内。而渡槽为了保证其过水能力，箱内

(a) 混凝土断面

(b) 钢箱断面

水流过时不能受到阻碍，故设计水位以下的钢箱内部不能设置横隔板和加劲肋等结构构造，最终设计水位以上的构造维持设置在箱内不变，设计水位以下的构造按设置在箱外考虑。为了保证钢箱渡槽的美观性，外设的加劲肋等构造外包封板。

钢箱中横隔板的主要作用是在偏心作用以及行人或车轮作用下，防止箱梁断面发生畸变和横向弯曲变形。水在渡槽钢箱内均匀流过，基本无偏心荷载，更无车轮作用，理论上可不设横隔板。但稳妥起见，还是应设置横隔板，间距不大于6 m，位置在箱内，做成设计水位以下镂空、设计水位以上实腹的构造，以保证水流过时不受阻挡。

竖向加劲肋为条形肋，顶板设置在钢箱内，底板设置在钢箱外，顶板条形肋间距不大于翼板的40倍，底板板条形肋间距不大于翼板的80倍，条形肋应采用刚性加劲肋，加劲肋的刚度可按照下列公式计算：

I≥bδ3γ

式中：b为顶板的宽度；δ为顶板的厚度；γ为刚度比，具体算法见TB 10091-2017《铁路桥梁钢结构设计规范》[7]第5.3.4条。

腹板竖向加劲肋的间距一般不得大于腹板高度的1.5倍，加劲肋的刚度可按照下列公式计算：

It≥3hwtw3

式中：hw为腹板的高度；tw为腹板的厚度。

腹板水平加劲肋可按照《公路钢桥规范》第5.3.3条计算，一般来说，只要保证腹板的高度小于厚度的140倍即可不设置水平加劲肋。

1.4 防腐的考虑

考虑到渡槽钢箱内过水，其防腐体系可参考SL 105-2007《水工金属结构防腐蚀规范》[8]中防腐体系执行。

为了避免钢材与水直接接触，在设计水位以下钢箱内表面设置一层6 cm厚的防水混凝土，防水混凝土与钢箱采用剪力钉结合。

1.5 梁端构造

为了保证水顺利通过渡槽，梁端一般采用橡胶止水带封闭，混凝土渡槽梁端的橡胶止水带预埋入混凝土中，采用螺栓固定。钢箱渡槽梁端采用钢混组合结构，止水带可按常规设置不变，大大减小渡槽梁端的施工难度，节省造价。

1.6 预拱度的设置

钢箱渡槽刚度较弱，应设置预拱度，设置过小或过大会影响渡槽的过水性能。一般桥的预拱度原则为恒载+1/2活载反向设置，渡槽若按照此设置，当水流较小时，钢渡槽跨中会有上拱，这会影响钢渡槽的水流通过。故钢箱渡槽的预拱度应按照恒载反向设置，当水流较小时，槽底基本为原设计坡度；当水流较大时，钢渡槽跨中会有一个下凹，但此时水流面离槽底有一定距离，水流面同样基本为原设计坡度，不会影响渡槽的过水性能。

2 渡槽设计

2.1 方案比选

金堂县东风水库扩建工程兰家坝渡槽主桥跨越成德南高速公路，原设计在高速公路中央绿化带中设墩，采用2孔16 m钢筋混凝土渡槽。

根据四川省交通厅有关文件要求：(1)高速公路中央绿化带中不允许设永久墩；(2)渡槽施工及运营期中槽下净高应大于5.5 m；(3)需预留高速公路从4车道扩宽到6车道的条件；(4)施工期间不允许断道。

设计对方案进行了优化，并提出三个方案，优缺点分析见表1。

混凝土拱或斜拉悬索渡槽方案投资最高，设计施工难度最大，首先予以放弃，重点比较预应力混凝土渡槽和钢箱渡槽。混凝土单价虽便宜，但引桥增加混凝土量，投资增加，全桥造价与钢箱渡槽相比相差不大，现浇方案施工对高速公路的影响较大，结合交通厅方面意见，最终采用一孔简支U形钢箱渡槽，设计跨径为38.6 m。

2.2 结构设计

钢箱渡槽全长39.54 m，为简支等截面钢箱梁结构，采用U形钢箱截面，顶板为直板，腹板、底板为一整体U形曲线板，梁高纵向为2.45 m，梁端加高为边腹板处为2.79 m。钢箱梁顶板厚16 mm，底板和腹板厚32 mm。顶、底和腹板沿纵向设置条形加劲肋，加劲肋高90 mm、厚12 mm，间距顶板按400 mm、腹底板按450 mm布置。顶板设在箱内，底板设在箱外。钢箱梁内沿纵向每隔3 m设置一道横隔板，为保证钢箱梁的过水能力，横隔板采用镂空式横隔板，只在设计水位以上设置，厚度12 mm。腹板箱外每隔1 m设一道竖向加劲肋，肋高180 mm、厚12 mm。为了保证美观性，加劲肋外设纵向拉通的6 mm厚封板。为了避免水与钢直接接触，U形钢箱内设计水位以下布置一层6 cm厚的防水混凝土，钢与混凝土之间采用剪力焊钉连接，焊钉规格10 mm×40 mm。

表1 方案优缺点分析

为了满足橡胶止水带构造要求，梁端采用钢混凝土结构，梁端47 cm范围填充C30混凝土，混凝土设置在外包矩形钢板和内贴U形板之间，U形板距离梁端17 cm留出混凝土面来设置橡胶止水带。混凝土弧形内表面和矩形外表面采用φ12 mm钢筋网片，间距15 cm，内外网片连接采用梅花形拉筋，间距40 cm×40 cm。

钢箱梁分成三段工厂制造，三段纵向长度分别为12.77 m、14 m、12.77 m。运至桥位高速公路旁满堂支架焊接成一体，整体吊装到位。钢箱梁需设置预拱，跨中上拱值21 mm，其它部位按照抛物线设置。

结构设计立面平面见图2，断面见图3。

2.3 渡槽防腐

渡槽为U形钢箱，全焊结构。依据大气腐蚀环境、局部腐蚀因素以及钢结构各部位的工作和维修条件，涂装设计的基本要求是防腐蚀涂层的周期性维修主要针对面涂和中涂，也即最大限度保证其底涂层的可靠及完整性，涂层应确保在带棱角构件处良好的遮盖效果和结合力，同时具有良好的复涂性，具体见表2、表3。

工地焊接接头区域作涂装防护要求不低于主体结构。钢箱板材预处理：≥Sa 2.5级。所有钢板出厂车间底漆：无机硅酸锌一道，干膜厚度25 μm，需保证钢板全表面覆盖漆膜。构件二次处理：钢梁及其他外表面≥Sa 3级，Rz=40～100 μm。对于分段对接处和喷射或抛丸不到的位置，采用动力工具机械打磨除锈，除锈等级为St3。

图2 渡槽立面平面(单位: mm)

(a)标准断面

(b)梁端断面

钢箱梁内表面防腐为关键工序，过水后要求第一年应每季度、之后每年检查一次，如发现内表面涂装剥落或腐蚀严重，应重新涂装。

表2 钢箱外表面

注①：环氧富锌底漆中不挥发成份中的金属锌含量≥80%

表3 钢箱内表面

3 渡槽计算

3.1 设计荷载

结构恒载：钢梁重量按实际尺寸计入，混凝土容重26.5 kN/m3，钢材容重78.5 kN/m3。

流水荷载：设计水深42 kN/m，满槽水深60 kN/m。

荷载组合：恒载+满槽水深。

3.2 计算方法

3.2.1 强度挠度计算

强度及挠度计算公式如下：

M=(q1+q2)×L2/8

V=(q1+q2)×L/2

σ=M/W≤[σ]

τ=V/(hw×∑tw) ≤[τ]

ω=5×(q1+q2)×L4/384≤L/500

式中：q1为自重(MN/m)；q2为水重(MN/m)；L为跨度( m)；M为跨中最大弯矩(kN·m)；V为梁端最大剪力(kN)；W为抗弯截面系数(m3)；σ为最大弯曲应力(MPa)；τ为最大弯曲应力(MPa)；hw为腹板高度(m)；tw为腹板厚度(m)；ω为最大挠度(m)；[σ]为容许弯曲应力(MPa)，参照《公路钢桥规范》第3.2.1条；[τ]为容许剪应力(MPa)，参照《公路钢桥规范》第3.2.1条。

3.2.2 稳定计算

整体稳定性参考《公路钢桥规范》第5.3.2条，截面尺寸h/b≤6，且L/b≤65时，可不计算梁的整体稳定性。式中：h为梁高，b为梁宽，L为梁跨。由于钢渡槽高宽比及跨宽比较小，上述很容易满足，故整体稳定性不控制设计。

加劲肋等构造细节按照上述第1.3条设置则可满足局部稳定性。

3.2.3 疲劳计算

钢箱渡槽刚度控制设计，导致强度应力水平不高，满水引起的疲劳应力不大，一般不控制设计。

3.2.4 抗震性能

钢结构重量轻，有优越的抗震性能，抗震不控制设计，但需做好抗震措施，若处于高地震区，梁端应设置防落梁措施。

3.2.5 抗风性能

风荷载引起的是梁的面外弯矩，可按公路桥涵通用规范[9]第4.3.7条取值，按匀布荷载计算面外弯矩，公式参考强度计算公式。一般来说，除非处于强台风区，风荷载不会控制设计。

3.2.6 温度荷载

温度荷载可按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》[9]第4.3.10条取值。对于简支梁，整体升降温度只会引起位移变化，应力无变化，而不均匀温度引起的应力变化较小，不会控制设计。

综上所述，钢渡槽主要进行强度和挠度计算，鉴于水利部门习惯用公式计算，可编制EXCEL程序计算。稳定、疲劳、抗震、抗风及温度不控制设计，一般不需计算，若需要则可采用有限元程序进行计算。

4 结论

从最大跨度、高跨比、断面比选、结构构造细节、防腐、梁端构造及预拱度等方面对简支钢箱渡槽的设计进行了研究，介绍了工程实例和结构设计，为钢箱渡槽的设计提供参考。

钢箱渡槽最大跨度应能做到64 m以上，高跨比初步可按不小于1/20左右控制。断面应根据引桥混凝土渡槽截面形式确定，并做成封闭钢箱。结构构造细节可参考钢箱人行天桥及《公路钢桥规范》设置。考虑到渡槽钢箱内过水，其防腐体系有条件值得专门研究，若无研究成果可参考SL 105-2007《水工金属结构防腐蚀规范》中防腐体系执行。梁端采用钢混组合结构，止水带可按常规设置不变，大大减小渡槽梁端的施工难度，节省造价。钢箱渡槽刚度较弱，应设置预拱度，设置过小或过大会影响渡槽的过水性能，预拱度应按照恒载反向设置。

钢箱渡槽主要进行强度和挠度控制性计算，鉴于水利部门习惯用公式计算，可编制EXCEL程序计算。稳定、疲劳、抗震、抗风及温度不控制设计，一般不需计算，若需要则可采用有限元程序进行计算。