装配式组合连续桥梁的钢箱梁设计原理研究

文琰，赵强

（九江市规划设计集团有限公司，江西九江 332000）

1 引言

近年来，我国桥梁事业飞速发展，预应力桥梁在技术革新、材料研究、桥型选择以及抗震性能等方面取得了巨大的进步。桥梁的箱形截面的优点较多，如外形美观、整体性强等。因此，常被应用于桥梁的设计中。张凯、张俊平[1]通过梁格法对连续箱梁的受力特征进行分析，同时与板壳模型进行了对比分析，得到了梁格法的计算精度。董锦俊[2]通过梁格法对某桥梁进行了有限元模型的建立，对横梁的计算方法和受力情况进行了分析，表明了荷载对应力分布的影响。华波、朱朝阳等[3]通过对某桥梁进行模型建立分析对称荷载和偏心荷载对腹板应力的影响，从而表明箱梁剪力滞效应的影响情况。本文在前人的研究基础上进行了更加深入的分析。

2 总体构造

2.1 立面布置

钢箱梁的布置形式及适用情况如表1 所示。

表1 钢箱梁布置形式表

2.2 横断面布置

2.2.1 钢板梁

钢-混凝土组合梁桥，采用工字型截面可降低制作安装成本。钢板组合梁主要表现形式为双主梁、多主梁。双主梁的适用范围为铁路桥梁及桥宽较小的情况。纵梁的连接方式为横梁。该连接方式的优点是提高施工效率、原材料用量较少、构造简单。缺点是冗余度及承载能力较低。多主梁的适用范围较广，多用于跨度较大地段[4]。

2.2.2 钢箱梁

箱形截面稳定性、耐久性较高，抗扭刚度大，适用于曲线桥。

2.3 受力特点

正弯矩作用下的钢箱梁桥，桥道板纵向受压。受压翼缘由桥面板和上翼缘组成共同抵抗荷载。负弯矩作用下的桥面板截面拉伸、底钢板受压。预应力混凝土桥面板可提高结构的使用性和耐久性，降低桥面板的拉应力。

钢箱梁桥结构体系组成：钢箱梁、桥道板、横隔系和加劲肋。各构件受力特性如下：

1）桥道板：主要承受竖向车辆荷载。当存在偏心力时，可抵抗扭转。

2）剪力键：其主要作用为传递交界面剪力。

3）钢箱梁：下翼缘主要作用为抵抗弯矩，上翼缘主要作用为连接桥道板和钢箱梁。

4）横隔系：横隔系主要作用为抵抗扭矩。

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5）底板混凝土：改善结构受力性能，提高钢箱梁稳定性[5]。

3 主要构造

3.1 截面形式

组合钢箱梁截面形式如图1 所示。

图1 组合箱梁截面形式

3.2 加劲肋构造

加劲肋主要影响结构的稳定性，是桥梁设计的重点，且施工方法存在多样性，因此应通过有限元模型对其进行分析，对结构的加劲进行确定。加劲肋应设置腹板加劲肋和底板加劲肋。

3.3 横向联结系

偏心作用下的箱形梁桥会产生横向挠曲变形。为保证该结构的整体刚度，应设置横隔板，横隔板设置位置为箱梁的支点和跨中[6]。

4 案例分析

本文依托工程为某装配式箱梁桥，桥梁构造为3×45 m+2×45 m。桥梁分左右两幅，宽度为27 m。上部结构的上翼缘板与桥道板采用新型PCSC 剪力键联结，钢箱梁截面形式为梯形，梁高为1.8 m。具体形式如图2 所示。

图2 箱梁断面图

4.1 前导梁构造与主梁连接

顶推施工时的控制因素为主梁前端的支点负弯矩，为减少钢梁悬臂端挠度，导梁下缘设置一定的角度。导梁结构图如图3 所示。

图3 导梁结构图

4.2 主梁变形、受力特性

4.2.1 变形特性

顶推施工时，前端竖向位移最大，因此顶推施工时应对竖向位移进行控制。挠度随顶推进度变化情况如下。

4.2.2 受力特点

顶推施工时主梁弯矩表现为正负交替变换，在主梁20 m断面正弯矩最大，数值为2 858.7 k N·m。其他断面弯矩值保持在2 114 kN·m 左右。负弯矩值最大值同样出现在20 m 断面，数值为-6 846.1 kN·m。在主梁20 m 断面后，各个断面的负弯矩值出现降低的趋势。

4.3 不利工况下的应力验算

4.3.1 桥面板应力分析

顶推施工时的最大悬臂长度为50 m，通过有限元分析可知，桥面板顶面和底面的等效应力最大位置为悬臂尾部。拉应力值为12.7 MPa。

4.3.2 钢箱应力分析

当桥梁处于最大悬臂状态时，主梁前端最大挠度值为-382.5 mm。通过有限元对整体杆系进行分析，确定挠度值为-397 mm。结构出现0.018 mm 的脱空。

最大悬臂阶段，底板长度为50～30 m，底板与支墩接触位置发生应力集中，并产生向上的挠度。等效应力最大值为259 MPa，位置为腹板与横隔板的交界。

通过有限元分析可知，钢底板与底板加劲肋的应力变化均表现为随支墩距离增大而减小。通过对数值进行分析可知，加劲肋处于较好的工作状态。

通过对最大悬臂阶段的腹板进行分析可知：腹板支撑区域产生1.4 mm 向外的挠度变形，最大应力值为266 MPa，位置为与底板相交处。腹板大部分应力＜180 MPa，说明结构受力较为安全。

通过对悬臂根部的横隔板进行分析可知：组成横隔板的各个构件应力水平不高，支座处的横隔板表现为应力集中，且最大值为73.6 MPa。

通过对顶板应力分析可知：箱梁顶板的整体应力35 MPa，与钢导梁连接位置的变化截面最大应力值为76.9 MPa。

为改善桥梁悬臂受力状态，减少应力集中现象的发生，顶推过程中，采用橡胶垫块与钢导梁接触，垫块长度为1 m，宽度为0.1 m。

5 结语

本文通过对装配式钢箱梁的设计原理进行分析，得出以下结论：钢箱梁布置可分为等梁高布置、变梁高布置和混合梁高布置。

本文通过实际工程对钢箱梁桥受力进行分析可知，顶推施工时，梁体安全控制以支撑区的稳定性及局部受力为主。为减少应力集中现象，在主梁与钢导梁接触位置设置橡胶垫块。