现代桥梁设计中钢箱梁的完整性设计分析

刘 凡

(江苏纬信工程咨询有限公司，江苏 南京 210014)

0 引 言

我国的桥梁工程技术在最近几年里得到快速发展，钢结构被广泛应用于各类桥梁当中，满足了桥梁使用需要。当桥梁加入钢结构后，会对结构的整体性造成一定影响，为保证桥梁结构的整体性，并提高安全性和可靠性，可在钢结构设计中运用完整性设计的方法，以延长桥梁的使用寿命。

1 工程概况

某桥梁工程位于快速路上，是一座高架桥，设计荷载为城-A级，地震动峰值加速度值为0.10g，设计特征周期为0.45 s，设计车速为60 km/h，纵坡不超过5%，车行道横坡为1.5%。该桥跨路口处采用的是钢箱梁，梁高3.2 m，梁宽为18.3 m和25.3 m，顶板设有双向2%横坡。钢箱梁标准段的顶板和底板厚度分别为16 mm和20 mm，中心支点位置处局部加厚到22 mm。为确保该桥梁钢结构的稳定性，在具体设计中采用完整性设计的方法。

2 现代桥梁设计中钢箱梁的完整性设计

2.1 钢箱梁一般设计流程

在钢箱梁的设计过程中，习惯性流程为：根据跨径选取合适的梁高→根据平面划分箱室→进一步确定加劲肋的间距和类型→进行主梁第一体系纵向计算、桥面板第二体系计算、隔板刚度和横梁的计算、挑梁、整体抗倾覆以及其他的构件计算。下面选取部分在设计中比较重要且容易忽略的设计内容，具体阐述。

2.2 抗倾覆稳定性设计

本工程中，主线桥上部主要构件的板厚尺寸见表1。

表1 主线桥构件板厚

在钢箱梁抗倾覆稳定性设计过程中，要了解现行规范的规定要求，并明确相关的影响因素，据此采取合理的设计措施，避免倾覆问题的发生。

2.2.1 规范规定

国家现行的《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中，仅对桥梁设计中的禁止制作脱空做出明确的规定要求。

《公路钢结构桥梁设计规范》(JTJ D64—2015)中规定：

(1) 在作用基本组合下，单向受压支座之中保持受压状态；

(2) 当整联只采用单向受压支座支撑时，应符合下式要求：

式中：γqf为抗倾覆稳定系数；∑Sbk，i为使上部结构稳定的基本作用组合的效应设计值；∑Ssk，i为使上部结构失稳的基本作用组合的效应设计值。通过对箱梁桥的倾覆过程全面分析后发现，倾覆的开始基本上都是由于侧支座脱空所致，上部结构的受力体系发生改变，所以要确保支座不会在标准值组合下出现脱空现象。桥梁钢结构受弯构件设计中，有钢板以密集的形式铺在梁体的受压翼缘上且可靠连接，可以起到阻止梁受翼缘侧向位移，或是梁受压翼缘的自由长度与宽度的比在表2规定的数值以内时，可以不对梁的整体稳定性进行计算。

表2 桥梁钢结构受弯构件无须计算整体稳定性的取值

2.2.2 跨数对抗倾覆的影响

跨数对桥梁的抗倾覆系数具有一定的影响，通过计算可以掌握影响的趋势。当桥跨增加时，端部支座的反力会发生变化。为便于研究，仅采用恒载与车辆荷载的组合，通过试验得出如下结果：桥梁结构从1跨增加至5跨时，整体抗倾覆性能得到显著提升。桥梁为1跨时，抗倾覆系数为1.9，小于规范要求的2.5，若是将桥梁设计为1跨，则势必会倾覆倒塌；当桥梁增加为2～3跨后，倾覆系数达到规范要求，但在重载车辆的影响下，桥梁仍然存在倾覆的可能；桥梁增至5跨时，出现最大的支座负反力，此时的抗倾覆系数最大。

2.2.3 抗倾覆设计措施

为有效避免钢箱梁桥出现倾覆倒塌的情况，可在钢结构完整性设计中，采取如下抗倾覆措施：

(1) 钢箱梁桥本身的自重相对较轻，使得桥梁结构提供的抗倾覆反力不足，抗倾覆稳定性明显弱于混凝土桥。因此，在桥梁完整性设计中，要确保桥梁有足够的抗倾覆力矩抵抗偏载作用。为实现这一目标，要合理确定单跨跨径，不宜过大。

(2) 钢箱梁桥中最容易发生脱空的是梁端的内侧支座，为钢箱梁配置压重，并在构造允许的前提下，设置抗拉支座。同时，选择耐久性高的支座，以避免频繁更换。

2.3 关键构件完整性设计

对于钢箱梁桥而言，比较重要的构件包括翼缘板、腹板以及横隔板等，为达到整体性的设计要求，可依据现行规范标准的规定要求，对上述构件进行合理设计，具体如下：

2.3.1 翼缘板设计

当钢箱梁的悬臂部分在设计时不设置加劲肋，要保证受压翼缘板伸出的肢宽不超过其本身厚度的12倍，而受拉翼缘板伸出的肢宽不得超过其自身厚度的16倍。同时按照规范要求，为翼缘板设置纵向加劲肋，如腹板的间距为翼缘板厚度80倍时，必须设置纵向加劲肋，且受压翼缘板悬臂部分的板端外缘加劲肋必须选择刚性加劲肋。

2.3.2 腹板设计

在设计钢箱梁中以受弯剪为主的腹板及其加劲肋时，腹板的剪应力应当满足现行规范标准的规定要求，采用闭口截面腹板时，可以按照剪力流理论对腹板的剪应力进行计算。在实际设计中需要特别注意的是，腹板横向加劲肋的间距应当不超过腹板高度的1.5倍。在设计以受压为主的腹板及加劲肋时，受压加劲板应当选择刚性加劲肋，若是构造的布设困难程度比较大且受力相对较小时，可以采用柔性加劲肋。

2.3.3 横隔板设计

在钢箱梁横隔板设计期间，当横隔板位于支点处时，形心要从支座反力的合理作用点通过，并在横隔板支座位置处成对布设竖向加劲肋，确保设置的加劲肋与现行规定要求相符，布设完毕后，要对横隔板及加劲肋的强度进行验算。设计过程中要注意人孔应当设置在支座范围以外的部分，而非节点位置处的横隔板除了要具有足够的强度和刚度之外，还要采用角焊缝与顶底板和腹板可靠连接。

2.4 焊接完整性设计

2.4.1 焊接结构

在桥梁钢结构中，焊接是主要的连接方式之一，通过可靠的焊接，能够使钢结构的完整性得到保障。为避免桥梁结构损坏的情况发生，必须保证钢结构的完整性，这既是前提也是基础。当钢结构出现轻微的损伤又未能及时修复，长时间使用就会使原本轻微的损伤持续发展，这种情况在应力集中的区域最为明显。预防这一问题的有效途径就是保证焊接结构的完整性，可将重点放在以下方面：

(1) 要保证所选的母材与焊接材料之间的性能高度匹配，以增强可焊性；

(2) 针对钢箱梁进行焊接作业时，必须充分考虑各种外界因素对焊接质量的影响，减少并避免焊接缺陷的产生；

(3) 钢结构焊接必须以确保质量为前提，达不到质量要求必须返工重做；

(4) 桥梁钢结构焊缝的强度设计值应当按照表3中的规定要求选用；

表3 钢结构焊缝强度设计值

备注：焊缝的质量等级应与现行《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205—2020)的要求相符。

(5) 钢结构容易受到腐蚀，尤其是焊缝部位，因此要做好防腐措施。

2.4.2 焊接完整性设计

钢箱梁桥的运行性能与受力状况存在密切的关联，在桥梁钢结构焊接完整性设计中，要从工程实际的角度出发，制定科学合理、切实可行的焊接方案，选择适宜的焊接方法，消除受力状况对桥梁运行性能产生的不利影响，为桥梁结构的整体稳定性提供保障。在钢结构焊接设计中，要以疲劳特性和抗裂标准作为主要依据，分析影响焊接质量的因素，采取有针对性的措施解决处理；焊接设计要遵循简便的原则，为后续施工提供便利。

3 结束语

综上所述，现代桥梁设计中钢箱梁的设计是一项较为复杂且系统的工作，为使钢结构的作用得以全面发挥，并最大限度地降低钢结构加入后对桥梁整体性的影响。在桥梁钢箱梁设计中，对完整性设计方法加以合理运用，将设计的重点放在抗倾覆、关键构件及焊接等方面。未来一段时期，要加大对桥梁钢结构设计方法的研究力度，通过优化改进，使其更好地为桥梁设计服务。