小半径曲线上钢箱梁匝道桥设计

刘 润 舟

(中铁上海设计院集团有限公司南昌院，江西 南昌 330002)

近年来，随着社会经济发展，汽车保有量的快速增长，对道路互联互通的要求进一步提高，随之出现了大量的立交。在分离式和互通式立交桥中，为实现道路转向功能、减少占地、避让建(构)筑物、节省投资，曲线梁匝道桥被广泛应用，其曲线半径非常小，一般在50 m～150 m之间。在曲线半径小，而需要的跨度比较大时，常采用钢箱梁以避免预应力混凝土梁因钢束的外崩，以及弯剪扭效应在不同腹板分布差异而导致应力状况较为复杂的情况，确保桥梁结构设计[1]安全可靠。

1 工程概况

本桥为A匝道第五联，为跨越既有20 m宽城市道路及新建E,F匝道而设计，上部结构采用(27+50+25)m等高度钢箱梁，下部结构A14号～A17号墩为花瓶墩，墩高约7 m～9 m，钻孔灌注桩基础。桥梁全宽为8.5 m，平面位于R-60 m曲线上，其平面布置见图1。

1.1 主要技术标准

1)计算行车速度：40 km/h。

2)设计荷载：城—A级。

3)抗震设防：地震动峰值加速度0.05g，基本烈度为6度。

4)安全等级：一级，重要性系数1.1。

5)环境类别：Ⅰ类。

6)设计使用年限：100年。

1.2 主要材料

主梁采用Q345qC钢材，桥面铺装分两层：下层为15 cm厚C50钢纤维混凝土；上层为4 cm厚(SMA-13)改性沥青混凝土+6 cm厚(AC-20)中粒式沥青混凝土。

2 结构构造

主梁全长102 m，梁顶面宽度8.5 m，悬臂长度1.35 m，采用单箱双室斜腹板横断面，钢箱梁采用纵横梁加顶、底板焊接而成，钢箱梁设三条腹板，板厚16 mm，腹板间距2 m；箱梁顶板下每隔440 mm左右设置一道U形纵向加劲肋，底板上缘每隔440 mm设置一道Ⅰ形纵向加劲肋。箱梁顶板在支点左右两侧900 mm范围内板厚36 mm，中跨板厚18 mm，边跨板厚16 mm的钢板。箱梁底板在支点左右两侧1.3 m范围内板厚36 mm，中跨板厚20 mm，边跨板厚18 mm的钢板，顶底板厚度变化处设过渡段。钢箱梁横隔板厚16 mm，横隔板纵向布置间距为2.0 m，按照每两道弱横隔板、一道强横隔板的方式间隔布置，其横断面布置如图2所示。

3 结构计算

3.1 计算原则及参数

1)钢箱梁自重：78.5 kN/m3。

2)二期恒载：沥青混凝土桥面铺装容重取25 kN/m3，混凝土现浇层容重取26 kN/m3，单侧防撞护栏重量按13 kN/m取值。

3)汽车荷载：城—A级。

4)温度荷载：整体升、降温差20 ℃，梯度温差T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，A=300 mm。

5)支点沉降：中支点最大沉降10 mm，边支点最大沉降5 mm。

3.2 计算方法

采用Midas Civil软件进行全桥纵向整体计算，主梁划分为58个单元，边支点及中支点附近增设加劲肋，其自重以集中力形式作用于支点处。根据桥面布置，汽车按最不利情况进行影响线加载。梁体4个桥墩处均设双支座，约束桥梁相应方向的变形。根据不同施工阶段，激活相应单元、施加该阶段荷载模拟施工过程，静力计算模型如图3所示。

3.3 施工阶段划分

主要施工步骤为浇筑桥墩和设临时支墩、吊装墩顶处钢横梁、吊装钢箱梁节段、焊接节段接头、浇筑节段压重混凝土、施工桥面现浇层、浇筑两侧混凝土护栏、摊铺桥面铺装层沥青混凝土。

3.4 静力计算结果

经过计算，在各荷载组合下，强度满足规范[2]要求，主要计算结果如表1所示。

表1 基本组合下正应力 MPa

基本组合下，上缘最大正应力为79.4 MPa，下缘最大正应力为141.4 MPa，箱梁上下缘正应力均小于270 MPa，满足要求。基本组合下，钢梁剪应力57.4 MPa小于160 MPa，满足规范[3]要求。

由汽车车道荷载引起的连续钢箱梁桥最大竖向挠度小于计算跨径的1/500。即最大活载竖向挠度为20.4 mm<50 000/500=100 mm，刚度满足要求。

4 预拱度设置

箱梁预拱度大小应视实际需要而定，宜为结构自重标准值加1/2车道荷载频遇值产生的挠度值，频遇值系数为1.0。本联钢箱梁由于边跨较小，边跨挠度较小，不设预拱度，仅中跨设置预拱度，钢箱梁在恒载和活载下的挠度分别如图4,图5所示。

恒载的中跨跨中挠度为39 mm，活载的跨中挠度为21 mm，以恒载+1/2活载挠度作为跨中预拱度，即最大预拱度为49 mm，预拱度应保持桥面曲线平顺，可以二次抛物线或其他光滑曲线形式由跨中往两中支点处过渡设置。

5 稳定性验算

曲线上的桥梁应进行抗倾覆[4]验算，其主要内容包括：基本组合下单向受压支座始终保持受压状态，其支座反力详见表2；标准组合下整体稳定效应与倾覆效应的比值，即倾覆稳定系数应大于2.5，其验算过程详见表3。

表2 基本组合下各支座反力

表3 标准组合下的稳定性

由表3可知，在作用基本组合下，单向受压支座始终保持受压状态，作用标准组合作用下，抗倾覆稳定系数大于2.5，满足规范抗倾覆要求。

6 结语

钢箱梁桥在小半径曲线匝道上有着广泛的适用性，有着混凝土结构无法比拟的优势，其受力特性亦不同于直线上的桥梁。在恒载作用下，曲线内、外侧支反力不同，半径越小的桥梁这种现象越明显，甚至相差悬殊。在活载作用下，外侧偏载将使内侧支座出现负反力，进一步加重了梁体往外侧翻转的趋势。此时应采取支点处横隔梁内压重、调整支座横向距离、设置墩梁固结及纵横向限位等构造措施控制支座脱空[5]，并避免梁体发生整体失稳，以满足设计要求。