两跨连续钢箱梁桥设计及计算分析

两跨连续钢箱梁桥设计及计算分析

马顺程

（中铁城市规划设计研究院有限公司，安徽 芜湖 241000）

摘要：钢箱梁是钢桥中普遍采用的一种结构形式。在城市桥梁应用时，可能会遇到条件受限或特殊需求采用两跨连续钢箱梁结构的情况，结构受力较常规结构稍有差异。文章以一座跨越江堤及道路的两跨连续钢结构桥梁为例，桥梁跨径（78+72）m，采用单箱单室钢箱梁结构。根据规范要求，结合有限元计算软件进行分析计算，为同类桥梁的设计与分析提供参考。

关键词： 钢箱梁；连续梁；有限元；桥梁设计

0  引言

   钢箱梁是一种工厂节段制造、节段运输至桥位现场、现场节段组装的快速化施工桥型。钢箱梁因其结构自重轻，适用于大跨径桥梁。吊装方便，提高架设效率，无支架或少支架施工方便跨越铁路、公路、城市交叉口等。钢箱梁为闭口截面，具有结构整体性好、横向抗弯刚度和抗扭刚度大、整体稳定性高、荷载横向分配均匀等特点[1]。

1  项目概况

该项目为某长江大桥东侧引桥，西起主桥边墩，东至桥梁落地。引桥第一联上部结构采用钢箱梁，其余联上部结构采用预应力混凝土连续梁。下部结构采用框架墩，基础为钻孔灌注桩。

文章主要针对引桥第一联进行分析论证。

2桥梁设计

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2.1主梁总体设计

2.1.1跨径布置

主梁上跨长江东岸江堤，堤顶有现状两条道路，本次按“在堤顶道路中分带内设墩，且避让地道结构的方式”进行桥梁布跨设计。故跨径布置采用78m+72m=150m。

2.1.2结构形式

主梁最大跨径为78m，钢箱梁和钢-混凝土组合梁均适合此类跨径规模的连续结构。两跨连续梁中支点截面的负弯矩大，而钢-混凝土组合梁的结构受力薄弱处，就是混凝土桥面板受拉开裂，难以完全解决此问题。故主梁采用钢箱梁结构形式。

2.2结构设计

主梁采用单箱单室钢箱梁，结构外形为直腹板，梁高3.8m，顶宽为13m，箱室宽6.5m，翼缘长度均为3.25m。钢箱梁底板水平设置，顶板随道路横向坡度2%。

标准断面如图1所示。

图1：主梁标准断面（横向加劲）（单位：mm）

2.2.1节段划分及板厚

主梁根据结构受力分四个节段，如表1所示：

表1节段划分表

2.2.2横隔板及加劲肋设计

主梁横隔板间距为3m，相邻两横隔板间设一道横向加劲肋。横隔板厚度16mm，横向加劲肋采用T形肋。顶底板加劲肋均采用板肋。

3钢箱梁计算分析

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3.1计算模型

本项目钢箱梁为杆系有限元模型，采用Midas civil软件进行分析计算。

3.2主梁弯曲正应力验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[2]第5.3.1条规定，受弯构件的正应力应满足下式要求：

（1）

式中：γ0为结构重要性系数为1.1；σx为计算截面正应力；fd为钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值。

表2 基本组合主梁正应力验算表

由表2得知，基本组合上缘换算最大正应力为158.8Mpa，位于78m跨中上缘；下缘换算最大应力为184.9，位于78m跨中下缘。均满足规范要求。

3.3主梁腹板剪应力验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》第5.3.1条规定，受弯构件腹板剪应力应满足下式要求

（2）

式中：V为剪力设计值；S、I为有效截面面积矩和惯性矩；tW为腹板厚度；fvd为钢材的抗剪强度设计值。

表3 基本组合主梁剪应力验算表

由表3得知，基本组合腹板最大剪应力为111.1Mpa，位于中支点附近。满足规范要求。

3.4主梁腹板折算应力验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》第5.3.1条规定，受弯实腹式构件腹板在正应力和剪应力共同作用时，应满足下式要求：

（3）

表4折算应力验算表

3.5主梁疲劳荷载验算

按疲劳荷载计算模型Ⅰ得到的钢箱梁上缘正应力幅最大为10.8Mpa，下缘正应力幅最大为20.97Mpa，最不利值为20.97Mpa，位于72m梁端靠近跨中位置。疲劳验算中，钢箱梁底板的最不利构造细节为底板与横隔板焊接处，查表得疲劳细节类别Δσc=80Mpa，正应力常幅疲劳极限ΔσD=59Mpa，根据规范验算情况为20.97MPa<87.34Mpa，满足规范要求。

按疲劳荷载计算模型Ⅰ得到的钢箱梁剪应力幅最大值为12.69MPa，查表得疲劳细节类别Δτc=100Mpa，剪应力疲劳截止限ΔτL=45.7Mpa，根据规范验算情况为12.69MPa<33.85Mpa，满足规范要求。

3.6主梁变形验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》第4.2.3条规定，计算竖向挠度，分别计算78m跨及72m跨跨中最大挠度值。

表4竖向挠度验算表

由表4得知，竖向挠度最大为55mm，位于78m跨跨中。满足规范要求。

4结语

两跨连续梁较三跨及多跨连续梁结构受力不利，两跨连续梁中支点负弯矩过大，对应上缘拉应力及下缘压应力均过大。采用双连续梁结构应着重考虑中支点范围受力分析，可采用增加梁高、增加板厚等方式减小应力。

钢箱梁应根据结构受力进行分节段设计，针对应力大的区域增加板厚，其他区域采用较薄板厚，节约造价，经济合理。

两跨连续钢箱梁跨中顶板及中支点底板应考虑受压加劲板的局部稳定影响，中支点处还需额外考虑剪力滞效应，对应位置板厚可设计增加厚度。

参考文献：

[1]吴冲. 现代钢桥（上）[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] JTG D64-2015 《公路钢结构桥梁设计规范》[S].

[3]田山坡. 大跨径钢箱梁转体T构挠度与受力研究[J].城市道桥与防洪, 2019, (02): 67-70+96+11.