武汉市沙湖大道大挑臂钢箱梁受力分析

2022-06-25郭俊峰

城市道桥与防洪 2022年5期

卫超，郭俊峰，万送

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430015）

0 引言

近年来，随着国内经济水平的提高，人们对生活的舒适性、交通的便捷性要求越来越高。作为市政工程建设设计领域的从业者，我们深感责任重大。近年，国内的众多造型新颖、功能丰富的桥梁，如雨后春笋般呈现出来，为丰富城市界面、提升城市形象提供了多元化元素，也极大的方便了市民的生活。武汉市沙湖大道跨徐东大街工程就是这类工程的一个较为突出的例子。

沙湖大道跨徐东大街主桥采用67 m+96 m+67 m=230 m 连续钢箱梁结构。其中67 m 边跨桥宽16.5 m，挑臂3.4 m；96 m 主跨桥需要和慢行桥合建，桥梁宽度20.5 m，挑臂7.5 m，属于特大挑臂结构。目前国内钢结构采用如此大挑臂结构十分少见，结构构造处理和结构安全控制经验较少，本工程可以为类似慢行桥和车行桥合建型的市政桥梁提供设计及安全控制上的借鉴意义。

1 工程概况

徐东大街和沙湖大道均为武汉市武昌区的重要道路，主干路标准，两条主干路为平交路口，目前已经不能满足交通的通行需求，亟需对平面交叉口进行升级改造。根据规划，沙湖大道跨徐东大街以“主线跨线桥（单侧帮宽慢行桥）+ 地面辅道”的方式建设，工程全长约1.13 km。桥梁建设需要考虑地下市政管线，尽量减少对现有管线的迁改。同时，沿徐东大道地面道路下布置有武汉市轨道交通8 号线，已经通车运营。桥梁设计和施工均需考虑尽量减少对轨道交通的影响。为保证徐东大街两岸的行人过街，在沙湖大道和徐东大街交汇处，布置慢行桥，供行人和非机动车通行。桥梁夜景效果如图1。

图1 沙湖大道桥梁夜景

2 桥梁结构简述

根据上述制约因素，跨越徐东大街处采用大跨变截面钢箱梁结构。为便于设置慢行交通，避免重复建设基础，优化城市界面，慢行桥采用和主桥局部合建、两侧分离建设的方式实施。上跨徐东大街的桥梁采用67 m+96 m+67 m=230 m 跨径的变截面连续钢箱梁，其中两侧67 m 边跨为单体车行桥，96 m 主跨采用人行桥与车行桥合建。

连续钢箱梁上部结构采用单箱双室箱形截面，中支点处梁高4.5 m，边支点处梁高2.3 m，梁底线形按圆曲线变化。边跨桥面宽度为16.3 m，中跨桥面宽度为20.4 m（其中人行道宽度4 m），为保持主桥主受力体系的明确，保证腹板构造连续，桥面宽度变化通过箱梁挑臂加宽实现。主跨挑臂7.5 m。

钢箱梁构造尺寸主要由结构受力确定，边跨尺寸的确定受主跨尺寸影响，为保持整体外观的一致性和美观，钢箱梁局部构造尺寸，特别是挑臂端部的构造，边跨和主跨保持一致。钢箱梁主要构造尺寸为：钢箱梁顶板标准厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；底板标准厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；两边跨腹板及96 m 主跨的右侧边腹板和中腹板标准厚度16 mm，局部加厚至30 mm；96 m 主跨左侧边腹板标准厚度20 mm，局部加厚至32 mm。常规3.4 m 挑臂端部高度300 mm（和主跨保持一致），挑臂根部高度750 mm。主跨7.5 m 挑臂端部尺寸300 mm，挑臂根部高度1 500 mm。

边跨桥梁典型横断面如下图2，中跨桥梁典型横断面如下图3（图中尺寸桥宽未包含10 cm 外包护栏宽度）。

图2 边跨主梁横断面图（单位：mm）

图3 中跨主梁横断面图（单位：mm）

3 钢箱梁结构计算

3.1 钢箱梁计算模型

采用桥梁结构空间计算程序Midas civil2019 计算，根据实际施工步骤确定计算工况。其中中跨4 m人行道加宽范围，计算偏安全考虑，按照偏心荷载施加于主梁上后，分别按照考虑其截面范围的纵向刚度贡献和不考虑其刚度贡献两种计算模型进行分析，综合取最不利包络结果。

钢箱梁的截面有效分布宽度根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中相关规定进行计算。结构离散示意图如下图4 所示。

图4 整体有限元模型结构离散图

3.2 钢箱梁施工阶段计算

本桥梁设计采用转体施工方案，转体最大悬臂为71.5+64 m，两侧通过配重进行施工阶段的整体平衡。考虑最不利情况，施工阶段仅计算最大悬臂状态，结果如下：

（1）施工阶段最大悬臂状态下，钢箱梁最大拉应力为134 MPa，最大压应力为195 MPa，均小于270 MPa，满足规范安全要求。

（2）最大悬臂状态，主梁在恒载作用下边跨端点最大位移795 mm，中跨端点最大位移737 mm。转体完成后，需采取顶升措施，将悬臂梁端顶升至设计位置后再进行梁段合拢。

（3）最大悬臂状态下主梁稳定性

考虑转体施工过程中，临时T 构的两侧悬臂荷载的不平衡可能会引起临时固结系统的受力不均匀，按照实际配重为设计配重的85%估算考虑。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的临时锚固最大拉力为1 971 kN；本项目采用PSB1080Φ50 mm精轧螺纹钢临时墩梁固结，考虑3 倍的安全系数，精轧螺纹钢最大抗拉强度为4×588=2 352 kN＞1 971 kN，满足要求。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的临时锚固支座最大压力为9 348 kN；本项目采用两对800×800 mm 临时支座系统，混凝土最大压应力为7.3 MPa，满足要求。

3.3 钢箱梁运营阶段计算

本桥钢箱梁顶板及底板主梁的弯曲应力极值为：顶板最大拉应力为194.4 MPa，最大压应力为-158.9 Pa，底板最大拉应力为254.1 MPa，最大压应力为-196 Pa；均满足相应材质的强度设计要求。具体计算结果如表1。

表1 计算应力计算结果表

3.4 钢桥面板局部受力分析

钢桥面板局部受力，主要计算第二体系应力，及钢箱梁悬臂应力计算。

（1）有限元模型

使用有限元软件建模分析，横隔板及U 形加劲肋采用板壳单元模拟，为了避免边界条件对局部分析的影响，纵桥向取三跨9 m 进行计算，本模型计算参数均取自该钢箱梁桥设计图标准梁段。

（2）计算假设及作用荷载

计算时假设钢板和铺装层完全连续，铺装材料为线弹性材料，且计铺装、护栏声屏障等结构自重的影响。模型的约束条件如下：端部横隔板及底板完全约束。根据规范，车轮与铺装接触面积为600 mm（横桥向）×200 mm（顺桥向），同时考虑170 mm 铺装层的对轮载扩散作用，扩散角度按照45°考虑，车辆的后轴重140 kN，如此作用在钢桥面板上的压力为0.216 MPa，乘以冲击系数1.3，得到作用在铺装层上的压力为0.285 MPa。几何模型见图5，有限元模型见图6。

图5 几何模型

图6 有限元模型

（3）桥面板局部计算结果

计算考虑车轮实际加载情况，计算多种工况，U肋和挑臂最不利计算，如图7～图10 所示。

图7 顶板顺桥向应力云图（单位：MP a）

图8 顶板横桥向应力云图（单位：MP a）

图9 U 形加劲肋顺桥向应力云图（单位：MP a）

图10 横梁挑臂板等效应力云图（单位：MP a）

由局部分析模型计算结果可知：

a. 顶板顺桥向最大压应力-33.3 MPa，最大拉应力35.7 MPa；横桥向最大压应力-39.8 MPa，最大拉应力59.7 MPa；最大等效应力为52.5 MPa。

b. U 形加劲肋顺桥向最大压应力-28.4 MPa，最大拉应力32.4 MPa；最大等效应力为51.6 MPa。

c. 横梁悬臂根部下缘板最大横桥向应力-82.9MPa。

d. 活载下挑臂边缘最大竖向挠度为4.9 mm＜7 500/300=25 mm，满足要求。

3.5 结论

（1）经计算分析可知，该桥在施工阶段受力及稳定性均满足要求。

（2）钢箱梁弯曲应力：综合该钢箱梁桥第一体系（整体计算）和第二体系（局部计算）结果：顶板最大拉应力为194.4+35.7=230.1 MPa，最大压应力为158.9+33.3=192.2 Pa；底板最大拉应力为254.1 MPa，最大压应力为-196 Pa；均满足相应材质的设计强度要求。（Q345qD 钢材设计强度270 MPa,Q420qD 钢材设计强度320 MPa）[1]。

（3）钢箱梁横桥向局部分析结果：横梁悬臂根部下缘最大应力82.9 MPa＜270 MPa,挑臂边缘最大挠度4.9 mm＜25 mm，应力及刚度均满足规范要求。