钢结构桥梁配重设计研究

宋 佳

(合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

为顺应城市交通发展，近年来城市高架桥、大型互通立交桥应运而生。受建设用地、管线设施及现状建筑等诸多因素限制，立交线形选择余地较小，常常会使用小曲线半径的线形，导致平面异形结构及曲线桥大量出现。钢结构桥梁尤其是钢箱梁桥具有自重轻、跨越能力大、抗弯抗扭刚度强等优点，且可采用工厂化制作、施工进度快、对现场交通影响小，是各种曲线桥、异形结构的最佳选择。但因其受弯扭耦合作用造成扭矩较大，同时自重较轻易出现支座脱空甚至倾覆现象，一般通过在钢箱梁中桥墩附近设置配重，以增大支座正反力储备的方法加以控制[1]。

1 常用的配重材料

目前，常用的钢箱梁桥配重材料有普通混凝土、铁砂、铁砂混凝土等。下面对这三种材料进行对比分析。

1.1 普通混凝土

普通混凝土即采用普通硅酸盐水泥、水和砂石作为骨料配制的混凝土。其性能与结构用混凝土相同，容重在24～26 kN/m3。对于普通混凝土来说，原材料的密度已经比较熟悉，且变化不大，配合比设计也很成熟。造价低，施工方便，可泵送、可吊装。但是对于作为配重使用来说，普通混凝土容重偏小，一般在配重体量较小情况下使用。

1.2 铁砂

铁砂作为配重材料在一段时间广泛使用，通过工程实践，铁砂配重存在以下缺陷：

(1)由铁砂堆积配重孔隙率较大，且无法填充密实，造成同体积同质量的铁砂堆积密度达不到实际要求。例如高密度配重铁砂，其表观密度在68～72 kN/m3，堆重在48～52 kN/m3。

(2)铁砂耐久性差，孔隙率较大导致与空气接触面大，易于氧化，受潮后易于生锈结块，长久以后配重效果减弱，恐对桥梁结构带来隐患。

(3)不便于施工，无法泵送，只能吊装或者自卸，导致堆积密度不均匀，夯实、振捣操作难度较大，施工慢，工期长。

(4)不易于检测，无法检测实际的配重效果。

1.3 铁砂混凝土

铁砂混凝土为重混凝土的一种，是近年来新兴的特种材料，文献[2,3]中对重混凝土的配合比、施工质量控制均有论述。其具有以下特点：

(1)铁砂混凝土是通过铁砂层层级配，搅拌均匀，降低孔隙率，混凝土的容重最高可达60 kN/m2。

(2)耐久性较好，不会氧化生锈。与空气直接接触的表面积少，更加均匀稳定。

(3)施工较为便捷，混凝土和易性好，且有流动性，对于异形结构的配重更能满足配重的密实度和均匀性。中高容重的铁砂混凝土可以泵送或者自卸，施工快，节省工期。

(4)便于检测，现场可随机抽检试块称重。

(5)造价方面比铁砂节省约20%。

通过分析比较，铁砂混凝土是钢箱梁桥配重材料的优先选择。

2 钢箱梁桥配重方式

本文通过一工程实例，探讨钢箱梁桥合理的配重方式。

2.1 工程概况

某城市互通立交桥采用三跨钢箱梁桥，跨径组合为3×30 m，桥梁平面位于半径90 m的圆曲线上，超高横坡2%，梁高1.8 m。为消除支座负反力及保证桥梁抗倾覆稳定，设计采用钢箱梁配重的方式来提高支座正反力储备。配重材料采用铁砂混凝土，容重40 kN/ m3。

2.2 有限元建模及计算

采用有限元软件MIDAS Civil 2017建立空间分析模型(图1)。主梁采用单梁进行模拟，全桥共分58个节点，51个单元。桥墩均采用双支座。

图1 有限元模型

其在恒载作用下的支反力如图2所示，在标准组合下的最大反力、最小反力分别如图3、图4所示。

图2 恒载作用下支反力

图3 标准组合下最大反力

图4 标准组合下最小反力

图2～图4表明：恒载作用下支反力及标准组合下最大反力，中支点处内外侧相当，边支点处外侧反力明显大于内侧；标准组合下最小反力中，支点外侧支座有足够安全储备，内侧支座出现负反力；边支点外侧支座反力储备不足，内侧支座出现负反力。

2.3 配重设计

钢箱梁配重主要从增加支反力储备和控制同一桥墩双支座反力不过于悬殊两方面进行设计。从横断面配重方式来说，有全断面配重、半断面配重和两半断面不等高配重,如图5～图7所示,根据具体支反力特征选择合适的配重方式。

图5 全断面配重

图6 半断面配重

图7 两半断面不等高配重

根据2.2节计算结果，中支点处外侧支反力储备充足，可仅在中支点内侧半断面配重。边支点处内侧负反力较大，可采用内侧半断面全高配重；为提高外侧支反力安全储备，可在外侧半断面配重一定的高度。

从配重效果考虑，以靠近支点处的横梁内配重为宜。通过试算，本桥端支点的配重长度为3.45 m，中支点的配重长度为2.4 m，如图8所示。

图8 配重立面图

配重后的在恒载作用下及标准组合下的反力情况如图9～图11所示。

图9 配重后恒载作用下支反力

图10 配重后标准组合下最大反力

图11 配重后标准组合下最小反力

图9～图11表明：按设计方案进行配重后，中支点、边支点处内外侧反力相差不大，且最小反力具有一定安全储备，满足设计要求。

3 结 论

铁砂混凝土因其质量稳定、耐久性好，广泛应用于钢结构桥梁配重领域。配重施工时应加强施工控制：

(1) 配重混凝土浇筑时应两端对称浇筑，严格控制分层浇筑高度，防止混凝土离析和骨料沉降。

(2) 由于铁砂混凝土容重大，对钢箱梁纵横向加劲肋板侧压力大，施工前应对肋板承受的侧压力、抗弯和挠度进行验算，以确定浇筑速度和分层厚度[1]。

(3) 为防止灌注混凝土时漏浆，需将每一段混凝土灌注段纵向两端的横隔板上的进人洞和顶底板纵肋通过孔用封堵板进行封堵。

(4) 顶板混凝土灌注孔的大小、数量和位置由施工单位自行确定。但应尽量减小对顶板的削弱，且灌注完成后须等强封补，压重混凝土必须在临时支架拆除前灌注。