变截面连续钢箱梁标准化设计研究

戚中洋 王 爽

(1.中咨华科交通建设技术有限公司 北京 100000；2.武汉隆方工程技术有限公司 武汉 430033)

为加快建设周期，减少施工期间工程对既有交通，沿线居民、行人的影响，同时改善相关人员的施工环境，快速化施工技术在城市高架项目中被广泛应用。对于25～35 m的标准跨径，可采用预制小箱梁结构。

对于跨路口节点桥梁，主跨跨径普遍达60 m及以上，预制小箱梁结构不能满足要求。如采用变截面连续大箱梁，节段预制拼装工艺，施工工序多、拼接难度高、施工周期较长；而连续钢箱梁受力性能好，主体结构均在工厂加工完成，现场焊接拼装工艺成熟，施工速度快，安全环保，符合快速化施工的要求。因此，在跨路口处，变截面连续钢箱梁结构被广泛采用。

本文以跨径组合40 m+60 m+40 m的变截面连续钢箱梁为例，研究车道数对箱梁腹板间距及厚度的影响，对常用底板厚度的受压区加劲形式进行比选，对实腹式横隔板和桁架式横隔板进行对比分析，确定腹板、底板受压区加劲肋、横隔板的优化设计，供类似桥型参考[1-2]。

1 腹板的设计

根据现行城市快速路标准，结合现有工程实例，目前城市快速路多采用单向两车道、双向四车道和双向六车道，对应的桥宽依次为8.5,18,25.5 m，扣除两侧防撞墙外包的0.15 m，钢箱梁结构宽依次为8.2,17.7,25.2 m。腹板是钢箱梁的主要构件，其间距和厚度直接影响钢箱梁的力学性能和整体经济指标。

1.1 腹板间距的确定

对于桥宽一定的钢箱梁，腹板间距过密，钢结构经济指标高；间距过疏，钢桥面板横向刚度弱，变化幅度大，疲劳效应明显，桥面铺装易损坏。同时，为了使钢桥面板在车轮荷载作用下变形均匀，腹板位置宜避开车轮作用范围。城市高架快速路主线车道宽度有3.75，3.5 m 2种，车辆轮距1.8 m，车轮距离车道边线不小于0.5 m，3.75 m宽车道的无轮区宽0.85 m，3.5 m宽车道的无轮区宽1.1 m[3-5]。

对于单向两车道钢箱梁，设置1个箱室，2道腹板，桥面布置2个3.5 m宽车道，腹板间距宜为2.4～4.6 m；对于双向四车道钢箱梁，设置3个箱室，4道腹板，单向设置3.5，3.75 m宽车道各1条，边箱腹板间距宜为2.65～4.6 m，中箱宜为4.4～6.1 m；对于双向六车道钢箱梁，设置5个箱室，6道腹板，单向设置1条3.5 m宽车道和2条3.75 m宽车道，边箱腹板间距宜为2.65～4.6 m，次边箱宜为2.9～4.6 m，中箱宜为4.4～6.1 m，具体布置见图1。分析腹板间距范围的交集，发现4.5 m可同时满足上述3种情况。钢箱梁箱宽4.5 m，每个车道下布置1道腹板。8.2，17.7，25.2 m宽钢箱梁两侧挑臂长依次为1.85，2.1，1.35 m。

图1 1/2腹板布置范围示意图(单位：m)

1.2 腹板厚度的确定

在弯矩和剪力作用下，腹板同时承受弯曲正应力和剪应力，需满足强度和稳定性要求。提高稳定性的方法主要有增加腹板厚度和设置加劲肋，其中设置加劲肋效果更加显著，它是减小腹板厚度、减轻自重的有效途径。而腹板最小厚度由计算高度和梁上恒、活载效应控制。本文以主跨60 m钢箱梁为基础，研究不同桥宽下腹板的经济厚度。跨径相同的钢箱梁不同桥宽下腹板计算高度一致，下面着重研究梁上恒、活载效应对腹板厚度的影响。

梁上恒载产生的荷载效应主要由顶、底、腹板承担。分析桥宽和腹板数量的关系，8.2，17.7，25.2 m宽钢箱梁每道腹板分配的恒载对应的平均桥宽依次为4.1，4.425，4.2 m，占腹板间距的比依次为91%，98%，93%，差值基本在10%内，可认为平均承担梁上恒载效应，且不同桥宽的绝对值差别不大。腹板位置与车道对应，均匀承担梁上活载。通过对横向布载车道数、布载系数、腹板数进行综合分析，发现8.2 m宽钢箱梁每道腹板承受的活载效应最大，具体见表1。

表1 腹板活载效应分配表

在不考虑横梁支座布置位置的情况下，可认为8.2 m宽钢箱梁所需腹板厚度为3种桥宽下的最大。根据JTG D64-2015 《公路钢结构桥梁设计规范》和《现代钢桥》，对于材料为Q345，主跨60 m的连续钢箱梁，最大腹板高厚比宜取240，腹板最小厚度13 mm[6]。考虑到13 mm厚钢板不常用，工程中可采用14 mm。

对桥宽8.2 m，跨径组合40 m+60 m+40 m的三跨连续钢箱梁桥进行有限元分析。箱梁顶、底板厚16 mm，腹板厚14 mm，中墩支点处梁高3.0 m，边墩支点处梁高1.8 m，顶板平置，底板呈折线变化。荷载包括结构自重，二期恒载、活载、基础变位及温度荷载。闭口截面腹板剪应力按剪力流理论计算，疲劳荷载按计算模型I验算。计算结果表明，主梁腹板最大剪应力为94 MPa，位于中墩支点处，考虑1.1倍重要性系数后小于155 MPa，强度满足规范要求；腹板最大剪应力幅为20 MPa，位于伸缩缝处，小于29.6 MPa的允许值，故疲劳满足规范要求。因此，14 mm可作为主跨60 m钢箱梁腹板的经济厚度。

2 底板的设计

2.1 底板受压区加劲形式的选择

底板受压区加劲肋包含纵肋和横肋。纵肋分开口截面和闭口截面。开口截面纵肋构造简单，便于工地连接，常用板肋、L形肋、T形肋、球扁钢肋；其中板肋的结构最为简单，但厚度大；L形肋、T形肋材料比较经济，但工厂焊接工程量较大，且工地连接较困难；球扁钢肋可弥补板肋的不足，减小钢板的厚度，材料经济，应用广泛。闭口截面纵肋抗扭惯性矩较大，常用形式有倒梯形纵肋，工厂加工性能和受力性能较好，工地连接较方便，为工程实际中采用最多的结构形式[7-8]。本优化设计对球扁钢肋和倒梯形纵肋进行比选，见图2。横肋作为纵肋的局部支撑，采用刚度大、结构对称的T形肋。

图2 底板纵肋示意图(单位：mm)

根据规范JTG D64-2015 《公路钢结构桥梁设计规范》5.1.6条，受压底板易采用刚性加劲肋。加劲肋间距过大时底板有可能出现局部失稳，间距过小时不便于横肋的制作和安装。开口截面纵肋的间距宜取300～400 mm，闭口截面纵肋的间距宜取600～850 mm。为了充分发挥底板的材料性能，寻找一定稳定计算宽度下的最优板厚。根据规范 《公路钢结构桥梁设计规范》5.1.7条，对局部稳定计算宽度为300，350，400 mm、14，16，20，22 mm厚的底板进行稳定折减系数计算。结果显示，当计算宽度为300 mm时，底板厚宜取16 mm；当宽度为350 mm时，板厚宜取20 mm；当宽度为400 mm时，板厚宜取22 mm，具体见表2。

表2 底板局部稳定折减系数

钢箱梁受压区底板厚度取值16 mm，采用12×240～12×350的T形横肋。当纵肋采用球扁钢时，间距取300 mm；当采用倒梯形时，间距取600 mm。通过计算，满足刚性要求的纵肋最小球扁钢型号是180×10；最小倒梯形肋：板厚6 mm、高250 mm，上底宽200 mm、下底宽300 mm；前者钢材用量是后者的1.088倍，倒梯形肋更经济，见表3。

表3 底板加劲肋比选表

2.2 底板厚度的确定

跨径一定的情况下，底板厚度由底板宽度和活载效应确定。对于直腹板钢箱梁，8.2 m宽桥设置1个箱室，底板最大、最小宽度均为4.5 m；17.7 m宽桥设置3个箱室，底板最大宽度13.5 m、最小宽度9 m；25.2 m宽桥设置5个箱室，底板最大宽度22.5 m、最小宽度13.5 m。如底板沿箱室满堂设置，不同桥宽每米宽底板承受的活载效应相差大，且对于较宽的桥，过于浪费，易采用最小底宽方案，对应的受压区底板厚度最小值依次为22，15，12 mm。15 mm为不常用板厚；12，14 mm所需加劲间距较密，增加焊接工作量、母板的焊接变形量及横肋的安装难度，综合指标不经济。因此，8.2 m宽钢箱梁受压区底板厚度取值22 mm，17.7，25.2 m宽钢箱梁受压区底板厚度取值16 mm，见表4。

表4 受压区底板厚度与活载的关系

8.2 m宽、跨径组合40 m+60 m+40 m的三跨连续钢箱梁桥底板在中支点处局部加厚至22 mm。有限元计算结果显示，基本组合作用下中支点处底板最大压应力为205 MPa，考虑1.1倍重要性系数后为225.5 MPa，规范限制270 MPa。22 mm底板全宽利用，最大应力相比规范限制约有20%富余度，经济合理。中支点断面构造示意见图3。

图3 中支点底板加厚处断面构造示意(单位：m)

3 横隔板形式比选

钢箱梁各墩墩顶处横隔板承受很大的集中力，要求能够直接传递集中荷载，有效控制挖空率，不限制支座位置的设置。墩顶采用实腹式横隔板。

其他位置根据偏心荷载作用下钢箱梁的受力特点，为了防止过大的畸变和面外变形，从刚度出发研究钢箱梁横隔板的合理布置，对实腹式横隔板、X形桁架式横隔板、V形桁架式横隔板进行对比分析，各横隔板断面构造示意见图4。

图4 横隔板断面构造示意图(单位：m)

箱梁板壁形心围成高2.984 m、宽4.486 m的矩形，假定横隔板间距6 m，当采用实腹式横隔板时，满足刚度所需的最小板厚为10.7 mm；当采用X形桁架式横隔板时，所用T形截面的斜撑根据面积相等的原则换算成实腹式横隔板，等代板厚为6.5 mm；当采用V形桁架式横隔板时，所用T形截面的斜撑根据面积相等的原则换算成实腹式横隔板，等代板厚为4.8 mm。综上所述，在满足刚度、结构安全的前提下，V形桁架式横隔板最经济，且截面挖空率最大，更便于施工人员和机械在箱内的通行，3种形式的横隔板方案比选见表5。

表5 横隔板比选表

4 结语

随着预制拼装、快速化施工在全国范围内推进，钢箱梁被广泛应用。但JTG D64-2015 《公路钢结构桥梁设计规范》实行时间不长，不同单位设计的钢箱梁在细节上差异较大，钢箱梁板厚过大、受压区板件加劲未满足刚性要求、全线使用实腹式横隔板、铺装使用年限不满足规范要求等情况时有发生。从结构安全、经济性的角度出发，研究变截面连续钢箱梁的优化设计是非常必要的。

本文提出对于城市高架40 m+60 m+40 m变截面连续钢箱梁，腹板间距采用4.5 m、腹板厚度14 mm，底板受压区加劲采用倒梯形肋，间距600 mm，支点采用实腹式横隔板，其他位置采用V形桁架式横隔板的通用设计理念，可供相关桥梁设计参考。