窄幅钢箱组合梁关键设计参数分析

郝 翠， 曹新垒

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来，随着国家推行绿色公路、发展“四个交通”的政策[1,2]要求，桥梁工业化建造技术，包括结构标准化、工厂化预制及机械化施工等被提上了日程。钢-混凝土组合梁桥[3-5]因其受力合理、钢主梁自重较轻、工厂化程度高等特点，越来越多地被应用于工程实际中。为了适应平面曲线变化，增加侧向抗扭刚度等，钢箱组合梁桥会被优先考虑，同时为了减小结构自重，便于运输及安装，设计上考虑采用窄幅钢箱组合梁桥。目前，国内窄幅钢箱组合桥梁应用较少，尚在推广阶段。

窄幅钢箱组合梁的腹板间距比传统的箱梁要小，故相对传统钢箱梁其箱内构造得以简化，相对钢板梁则更能适应大跨度及曲线桥的情况。窄幅钢箱配合使用组合桥面板、预应力桥面板，桥面板的跨度增大，可省略小纵梁，是一种经济性较好的结构形式。

在确定结构设计参数之前，应在满足受力要求的前提下，尽可能寻找经济性较好的方案。本文从钢箱梁高、箱宽及钢材标号等进行参数分析，研究其对结构自振频率、刚度、板厚、用钢量等的影响，以此来确定合理的主梁布置和经济的组合方式。

1 研究算例

1.1 设计参数

某高速公路桥为50 m简支窄幅钢箱组合梁桥，如图1所示。单幅桥宽12.75 m，采用双主梁结构。钢箱梁跨间及端支点处设置横隔板，横隔板间距为5 m。钢箱梁高2.8 m，钢箱腹板间距为1.2 m，顶板宽1.4 m，底板宽1.26 m，两片钢箱中心距为7.1 m。钢箱主梁采用直腹板形式，主要由顶板、底板、腹板、顶板加劲肋、腹板竖向加劲肋及纵向加劲肋等组成。

图1 桥梁横断面示意图

钢箱梁计算长度为49.9 m，综合考虑运输条件及受力特点，将梁段划分为5个节段，包括2个节段A、2个节段B及1个节段C，其长度分别为8.95 m、10 m及12 m。A梁段钢箱梁采用Q345qD，B梁段及C梁段钢箱梁采用Q370qD。

桥面板采用先张法预应力混凝土预制桥面板。桥面板设预留孔洞，采用集束式剪力钉群。桥面板宽12.75 m，承托处板厚0.4 m，悬臂处及跨中处板厚0.3 m。桥面板内配置φ15.2-1预应力钢束，预应力张拉控制应力为1 395 MPa。

1.2 有限元分析模型

参数分析中有限元计算采用通用有限元程序MIDAS Civil。在对结构进行有限元离散时，钢箱梁顶板、腹板及底板和桥面板按实际尺寸计入，其余构造均按荷载作用考虑。桥面板及钢箱梁均采用梁单元模拟，计算模型中共离散为172个节点，138个单元。材料特性做了以下简化：钢材及混凝土均按各向同性的匀质弹性体考虑；钢箱梁(桥梁用钢)弹性模量Es=2.06×106MPa，线膨胀系数(以每℃计)αs=1.2×10-5；桥面板混凝土(C50)弹性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比μ=0.2；预应力钢束采用高强低松弛钢铰线，公称直径15.2 mm，标准强度为1 860 MPa，公称面积140 mm2，弹性模量为1.95×105MPa。

有限元模型按照实际约束的方式考虑，单个支点采用点约束形式施加于支座位置，MIDAS Civil有限元模型如图2所示。

图2 有限元分析模型示意图

2 参数分析

计算应力点取计算长度范围节段分界点及节段中点，共计11个应力计算点。

2.1 梁高

窄幅钢箱组合梁的梁高略低于同等跨径钢板组合梁。经调研，可知国外钢板梁高跨比在1/30～1/20，国内钢板组合梁高跨比在1/23～1/18。参数分析时取梁高分别为2.3 m、2.5 m和2.8 m，见表1。

表1 不同梁高条件结构设计参数(箱宽=1.2 m)

从表1可以看出，梁高增加，顶、底板厚度，尤其是底板厚度可以适当减薄。

承载能力极限状态标准组合三种梁高的主梁上、下缘应力分布如图3所示。

图3 不同梁高条件主梁上、下缘应力分布图

由图3可知，主梁应力最大值出现在跨中区域，分别为-268.14 MPa、265 MPa及267.07 MPa，结构重要性系数按1.1计入，均满足规范要求。取较大梁高时，跨中主梁底板应力控制设计，同时顶板的应力富裕较大。

三种梁高情况下结构自振频率、跨中截面惯性矩(Iyy)及汽车荷载作用下挠度如图4所示。

图4 不同梁高条件结构自振频率、截面惯性矩及汽车荷载作用下挠度分布

由图4可知，箱宽相等时，梁高越高，组合截面惯性矩越大，相应结构自振频率越高，汽车荷载作用下跨中挠度也越小。

经测算，三种梁高情况下结构用钢量分别为237.63 kg/m2、235.45 kg/m2及241.33 kg/m2，梁高增加，结构用钢量小幅增加。随着梁高的增加，结构整体刚度有所提高，顶底板厚度可以适当减薄，从而用钢量的区别不会特别明显。

2.2 箱宽

窄幅钢箱组合梁区别于常规钢箱组合梁的重要因素就是箱宽，即两道腹板之间的间距。窄幅钢箱梁的箱内构造可以大大简化，且便于运输和安装。但箱内空间过小，会导致维修养护存在困难。考虑检修人孔需求，箱宽腹板最小间距取值1.2 m，见表2。

表2 不同箱宽条件结构设计参数(梁高=2.5 m)

承载能力极限状态标准组合三种箱宽主梁上、下缘应力分布，如图5所示。

图5 不同箱宽条件主梁上、下缘应力分布图

由图5可知，主梁应力最大出现在跨中区域，分别为265.00 MPa、267.87 MPa及245.22 MPa，结构重要性系数按1.1计入，均满足规范要求。箱宽增大，主梁应力有所降低，但降低的程度有限。

三种箱宽条件下结构自振频率、跨中截面惯性矩(Iyy)及汽车荷载作用下挠度如图6所示。

图6 不同箱宽条件结构自振频率、截面惯性矩及汽车荷载作用下挠度分布

由图6可知，梁高相等时，箱宽增加，截面惯性矩变化较小；相应结构自振频率越大，汽车荷载作用下跨中挠度也越小。

经测算，三种箱宽情况下结构用钢量分别为235.45 kg/m2、239.30 kg/m2及252.02 kg/m2，箱宽增加，结构用钢量增加较为明显。

2.3 箱梁中心距

箱梁的中心距大小影响桥梁的侧向刚度，对桥梁稳定性影响比较大。同时,箱梁间距、箱宽及悬臂宽度决定了桥面板的总体布置，间距过大则桥面板需采用组合桥面板或预应力桥面板，且板厚较大，从而增加桥梁的自重，不利于结构受力及桥梁轻型化。经过调研，箱梁中心距一般取0.5～0.55桥梁宽度，且悬臂长度不宜超过0.4倍箱梁中心距。组合桥面板时，箱梁中心距一般不超过6 m，工程实例最大做到8 m，对于中心距小于4 m时，一般采用钢筋混凝土桥面板。

2.4 钢材标号

随着钢材制造能力的提高，越来越多的桥梁采用高性能钢[6]，见表3。

表3 不同钢材标号组合结构设计参数(梁高=2.3 m，箱宽=1.2 m)

承载能力极限状态标准组合下采用不同钢材标号组合条件下主梁上、下缘应力分布如图7所示。

图7 不同钢材标号组合主梁上、下缘应力分布图

由图7可知，主梁应力最大值出现在跨中区域，分别为-268.14 MPa及300.66 MPa，结构重要性系数按1.1计入，均满足规范要求。

经测算，采用不同钢材标号组合条件下，结构用钢量分别为237.63 kg/m2及221.97 kg/m2，跨中采用高性能钢，可以大幅降低底板板厚，从而有效降低用钢量。

3 结 论

(1)通过不同梁高、箱宽及高性能钢组合下结构的应力分布、自振频率、汽车荷载作用下挠度及用钢量的对比分析，说明窄幅钢箱组合梁总体设计中采用高梁高、窄箱宽、高性能钢的应用是合理的。

(2)梁高增加，结构用钢量略有增加，但整体刚度增大，提高了桥梁受力性能及行车舒适性。条件允许的情况下推荐采用较高梁高。

(3)箱宽增加，作用应力富裕有所提高，但结构用钢量也随着显著提高，但对结构整体刚度的提升作用较小。因此，采用1.2 m箱宽是可行且合理的。

(4) 高性能钢的采用可以大幅减小板厚，降低用钢量。同时，高性能钢的采用还可以降低梁高，对建筑高度要求较严格或需限制工程规模时可考虑高强钢的使用。