连续钢箱梁设计及受力分析

■黄锦春

（福州市规划设计研究院集团有限公司，福州 350108）

随着城市化路网的快速发展，跨线桥数量大幅增加，为追求通透性及安全性，跨线桥跨度不断增加。 预应力钢筋混凝土结构桥梁为达到较大跨径需要更高的梁高，连续钢箱梁则比传统的预应力钢筋混凝土梁更加轻便，减少了自身重量，减小了结构的负荷，节省了材料和人力成本[1]。 连续钢箱梁用于跨度较大的桥梁， 具有较好的承载能力和稳定性，相对于同样跨度的混凝土梁， 其结构高度大大降低，获得更好的通过性。 使用连续钢箱梁，可以缩短建设周期，减少对交通造成的影响。 连续钢箱梁具有结构设计灵活、加工制造精度高、安装简便等特点，目前广泛应用于公路、铁路、城市道路、海上桥梁等多个领域[2]。 本文以一座跨线桥连续钢箱梁为工程实例，采用桥梁博士V4 软件建立结构空间模型进行计算分析。

1 工程概述

国道G316 线长乐漳港至营前段为福州滨海新城规划的“两纵五横”快速公路网中的横向骨架道路，起于滨海新城核心区，经文武砂、古槐、首占、营前，至道庆洲大桥长乐侧，建成后，国道G316 线将与福泉高速公路连接线、道庆洲大桥一起构成老城区通往滨海新城的东西向最重要的快速通道，该项目进一步完善了滨海新城骨架路网，有利于联系福州新旧中心城区，为滨海新城建设和快速发展奠定坚实的基础。

国道G316 线在K9+695.934 下穿福平铁路青湖特大桥，K9+970.632 上跨福北路，斜交角度44.6°。由于该路线刚下穿铁路桥，继而上跨市政路，上跨净空保证5 m 安全净空，导致结构梁高仅能做到2 m，采用常规预应力钢筋混凝土梁难以满足，同时上跨福北路属于城市主干道，交通繁忙，桥下净空非常有限，已没有支架搭设空间。 因此，上跨福北路0#～3# 墩跨径设计采用 （42+52+42）m 连续钢箱梁结构，结构梁高2 m（高跨比1/26），施工采用分节段吊装，现场焊接拼装，既满足了桥下净空需求，又能够保证施工期桥下交通顺畅。 该桥梁平面图、立面图见图1、2。

图1 桥梁平面图

图2 桥梁立面图

2 钢箱梁设计方案

（1）钢箱梁断面选择。 较宽的钢箱梁结构断面通常有单箱多室和多箱单室2 种类型，该桥连续钢箱梁跨径（42+52+42）m，桥面宽17 m，为与前后混凝土箱梁外观相对应，箱室采用单箱三室结构，外腹板采用斜外腹板形式，斜率与前后箱梁对应，外悬臂长2.3 m，横断面采用梁顶底平行设置，横坡通过箱梁整体旋转设置，箱梁中心梁高2 m，为跨径的1/26。

（2）主梁设计。①钢箱梁采用Q355C 钢材，顶底板跨中部分均为16 mm，支点部分顶底板均加厚至25 mm，不同板厚顶底板对接时，保持箱室内侧平齐，有利于加劲肋对接焊；全桥腹板均采用16 mm。②顶板设置U 肋和板肋相结合，U 肋厚度8 mm，高度280 mm，悬臂部分采用板肋；底板均采用板肋，厚度20 mm，高度200 mm；为保证腹板稳定性，腹板顶底各设1 道纵向加劲肋。 ③箱梁横隔板间距采用3 m 间距布置，横隔板厚度14 mm，为避免中跨跨中受压区顶板的局部失稳，在2 道横隔板中间设置1 道顶板横向、腹板竖向加劲肋，厚度12 mm。 ④根据总体下部结构的统一性，支座间距采用与混凝土箱梁一致的6 m，中支点横梁厚度25 mm，端支点横梁厚度20 mm，支座支承加劲肋根据支座反力计算采用30 mm。 钢箱梁断面见图3、4。

图3 钢箱梁跨中断面

图4 钢箱梁支点断面

3 钢箱梁计算模型

采用桥梁博士V4 软件进行全桥受力分析。 计算模型为单梁模型， 按实际施工模拟施工阶段，边界条件按照图纸设置，横断面设计考虑箱梁有效宽度，空间分析计算模型如图5 所示。 桥梁荷载包括：①自重（按照施工图实际进行考虑）；②二期荷载（铺装及混凝土护栏）；③汽车荷载为公路-I 级，横向布置4 个车道，考虑车道折减及车道横向布置，并考虑最不利偏载进行抗倾覆验算；④温度荷载（梯度温度：按照英国BS5400 考虑；整体升降温：整体升温30℃，整体降温25℃）；⑤汽车制动力；⑥支座沉降（取10 mm）。 桥梁承载能力极限状态采用基本组合：①+②+③+④+⑤+⑥。

图5 计算模型

4 钢箱梁计算分析

4.1 钢梁正应力验算

连续钢箱梁进行整体结构验算，并按照承载力极限状态进行应力验算[3]。 荷载效应基本组合下主梁弯矩及剪力包络图见图6、7。 钢箱梁采用单梁结构模型，由图可见，其受力特征符合常规连续梁特性，跨中最大正弯矩为80 463.3 kN·m，支点最大负弯矩为89 775.8 kN·m；中支点位置剪力最大值为10 357.7 kN。

图6 主梁弯矩包络图

图7 主梁剪力包络图

桥梁博士进行第一体系应力验算时，程序考虑主梁剪力滞效应，并考虑顶板局部稳定[4]，计算得到顶底板应力如图8、9 所示。 由图可见，在荷载效应基本组合下底板下缘跨中最大拉应力为136.8 MPa，底板下缘支点最大压应力为142.0 MPa；顶板上缘支点最大拉应力为112.3 MPa，顶板上缘跨中最大压应力为125.2 MPa。

图8 基本组合主梁上缘应力图

图9 基本组合主梁下缘应力图

顶板考虑叠加第二体系应力，桥面板以及纵横肋一起组成桥面结构第二体系，车轮荷载直接作用于桥面板上，桥面板纵向支撑在钢箱梁腹板上，横向弹性支撑在横隔板上。 参考相类似工程[5]经验，综合考虑纵肋分布及横隔板间距，该桥第二体系应力按70 MPa 考虑，并考虑1.4 的冲击系数，第一、二体系应力相叠加后，顶板支点最大拉应力为（112.3+1.4×70）MPa=210.3 MPa＜275.0 MPa，跨中最大压应力为（125.2+1.4×70）MPa=223.2 MPa＜285.0 MPa，正应力满足规范要求。

4.2 腹板剪应力验算

在荷载效应基本组合作用下对钢箱梁截面腹板剪应力进行验算，结果如图10 所示，主梁最大值剪应力为95.2 MPa，满足规范要求。 腹板设置1 道横向加劲肋和1 道纵向加劲肋时，腹板最小厚度为ηhw/240=0.85×1968/240=7 mm，实际采用16 mm，满足规范要求。

图10 基本组合主梁剪力图

4.3 腹板折算应力验算

在荷载效应基本组合作用下对钢箱梁截面腹板折算应力进行验算，结果如图11 所示，腹板在正应力和剪应力共同作用下， 折算应力最大为166 MPa＜285 MPa，满足规范要求。

图11 基本组合主梁折算应力图

4.4 挠度验算及预拱度计算

汽车荷载作用下的竖向位移图见图12，当活载可能引起该跨径正负挠度时，应为正负挠度绝对值之和，可见，活载作用下，结构跨中计算挠度为（25.5+9.9）mm=35.4 mm＜（52000/500）mm=104 mm，结构刚度满足要求。

图12 汽车荷载下竖向挠度

为保证成桥后线形平顺美观，应按照结构自重及二期恒载叠加1/2 活载所产生的挠度作为预拱度值，该桥预拱度考虑按图13 所示，中跨跨中预拱度取47 mm，边跨取34.8 mm，其余位置按抛物线设置。

4.5 疲劳应力幅验算

采用疲劳荷载计算模型I，分别计算正应力幅和剪应力幅，如图14、15 所示，根据计算可知，正应力幅为16.3 MPa＜（0.737×70/1.35）MPa=38.2 MPa，剪应力幅为11.4 MPa＜（0.457×80/1.35）MPa=27.1 MPa，均满足规范要求。

图14 疲劳正应力幅图

图15 疲劳剪应力幅图

4.6 横梁计算

横梁计算按连续梁模拟，横隔板按工字型截面模拟，翼缘宽度按24 倍顶底板板厚，纵向计算所得到的作用力按集中力加载在腹板位置，汽车荷载按横向布载布置，其荷载系数取单列车纵向计算所得的支点反力。 经计算，中支点横梁下缘最大拉应力为165 MPa，上缘最大压应力为142 MPa，腹板最大剪应力为77 MPa，均满足规范要求。

4.7 抗倾覆验算

钢箱梁由于自身重量轻，恒载反力小，支座在恒活载共同作用下，相较于混凝土箱梁更容易发生支座脱空现象。 近年来，由于车辆偏载导致上部结构整体侧翻倾覆的事件时有发生，在钢箱梁设计时应特别注重抗倾覆验算[6]。该桥位于R=2500 m 圆曲线上，支座间距均为6 m，在考虑车道偏载情况下，抗倾覆应同时满足：①在基本组合作用下，各支座均不得出现脱空；②抗倾覆稳定系数≥2.5。

对于大半径曲线桥或直线桥，在一侧车载布置下，另一侧支座容易发生脱空，在总体设计上可采用：（1）合理设置支座间距，在追求墩梁整体性美观的前提下，应尽可能加大支座间距，以贡献更多的抗扭及抗倾覆效应；（2）钢箱梁由于自重轻，边支座可能出现脱空现象时，可采用对梁端混凝土压重的方式提高梁端支座反力，从而提供更大的抗倾覆力[7]。连续钢箱梁桥通常采取这2 种措施能达到较好的抗倾覆效果。

该桥进行抗倾覆验算时，如图16、17 所示，在曲线外侧布置车道， 桥梁内侧支座有可能发生脱空，支座失效，根据支反力影响线布置，取失效支座所对应荷载最不利布置情况下各支座的并发反力进行抗倾覆验算。根据验算结果（见表1），只在曲线外侧偏载布置2 个车道荷载情况下，基本组合作用下各支座均未出现负反力， 最小抗倾覆稳定系数为7.17＞2.5，抗倾覆满足要求。

表1 抗倾覆验算结果

图16 抗倾覆最不利布载情况

图17 倾覆过程有效支座示意图

5 结论

本文通过介绍一跨线大跨度连续钢箱梁桥的设计方案及计算模型，对钢箱梁强度、刚度、疲劳、稳定等性能进行系统的验算分析， 得到以下结论：（1）通过对正应力、剪应力、折算应力的验算表明本桥结构承载力满足要求；（2）通过对结构变形的验算表明结构刚度满足要求，能保证行车舒适性和安全性；（3）通过对结构在车辆荷载作用下的疲劳应力幅验算表明结构在循环车辆荷载作用下的疲劳稳定满足要求；（4）通过对结构整体的抗倾覆和构件失稳验算表明结构整体和局部稳定满足要求。

在跨线桥中，钢箱梁相较于预应力混凝土梁，高跨比小，受力简单，施工方便，得到了很好的应用。 在设计过程中，应特别注意钢箱梁疲劳和稳定的验算，加强抗倾覆验算；支座间距是抗倾覆的关键因素，在追求墩梁整体性美观的前提下，应尽可能加大支座间距，能有效增大钢箱梁整体抗倾覆系数；在边支座出现脱空现象时，可采用梁端压重的方式进行解决，提高整体抗倾覆稳定性，避免倾覆的发生。