衛(wèi) 超，郭俊峰，萬(wàn) 送

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)生活的舒適性、交通的便捷性要求越來(lái)越高。作為市政工程建設(shè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的從業(yè)者，我們深感責(zé)任重大。近年，國(guó)內(nèi)的眾多造型新穎、功能豐富的橋梁，如雨后春筍般呈現(xiàn)出來(lái)，為豐富城市界面、提升城市形象提供了多元化元素，也極大的方便了市民的生活。武漢市沙湖大道跨徐東大街工程就是這類工程的一個(gè)較為突出的例子。

沙湖大道跨徐東大街主橋采用67 m+96 m+67 m=230 m 連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)。其中67 m 邊跨橋?qū)?6.5 m，挑臂3.4 m；96 m 主跨橋需要和慢行橋合建，橋梁寬度20.5 m，挑臂7.5 m，屬于特大挑臂結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)采用如此大挑臂結(jié)構(gòu)十分少見(jiàn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理和結(jié)構(gòu)安全控制經(jīng)驗(yàn)較少，本工程可以為類似慢行橋和車(chē)行橋合建型的市政橋梁提供設(shè)計(jì)及安全控制上的借鑒意義。

1 工程概況

徐東大街和沙湖大道均為武漢市武昌區(qū)的重要道路，主干路標(biāo)準(zhǔn)，兩條主干路為平交路口，目前已經(jīng)不能滿足交通的通行需求，亟需對(duì)平面交叉口進(jìn)行升級(jí)改造。根據(jù)規(guī)劃，沙湖大道跨徐東大街以“主線跨線橋（單側(cè)幫寬慢行橋）+ 地面輔道”的方式建設(shè)，工程全長(zhǎng)約1.13 km。橋梁建設(shè)需要考慮地下市政管線，盡量減少對(duì)現(xiàn)有管線的遷改。同時(shí)，沿徐東大道地面道路下布置有武漢市軌道交通8 號(hào)線，已經(jīng)通車(chē)運(yùn)營(yíng)。橋梁設(shè)計(jì)和施工均需考慮盡量減少對(duì)軌道交通的影響。為保證徐東大街兩岸的行人過(guò)街，在沙湖大道和徐東大街交匯處，布置慢行橋，供行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)通行。橋梁夜景效果如圖1。

圖1 沙湖大道橋梁夜景

2 橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

根據(jù)上述制約因素，跨越徐東大街處采用大跨變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)。為便于設(shè)置慢行交通，避免重復(fù)建設(shè)基礎(chǔ)，優(yōu)化城市界面，慢行橋采用和主橋局部合建、兩側(cè)分離建設(shè)的方式實(shí)施。上跨徐東大街的橋梁采用67 m+96 m+67 m=230 m 跨徑的變截面連續(xù)鋼箱梁，其中兩側(cè)67 m 邊跨為單體車(chē)行橋，96 m 主跨采用人行橋與車(chē)行橋合建。

連續(xù)鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室箱形截面，中支點(diǎn)處梁高4.5 m，邊支點(diǎn)處梁高2.3 m，梁底線形按圓曲線變化。邊跨橋面寬度為16.3 m，中跨橋面寬度為20.4 m（其中人行道寬度4 m），為保持主橋主受力體系的明確，保證腹板構(gòu)造連續(xù)，橋面寬度變化通過(guò)箱梁挑臂加寬實(shí)現(xiàn)。主跨挑臂7.5 m。

鋼箱梁構(gòu)造尺寸主要由結(jié)構(gòu)受力確定，邊跨尺寸的確定受主跨尺寸影響，為保持整體外觀的一致性和美觀，鋼箱梁局部構(gòu)造尺寸，特別是挑臂端部的構(gòu)造，邊跨和主跨保持一致。鋼箱梁主要構(gòu)造尺寸為：鋼箱梁頂板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；底板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至30 mm 和40 mm；兩邊跨腹板及96 m 主跨的右側(cè)邊腹板和中腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度16 mm，局部加厚至30 mm；96 m 主跨左側(cè)邊腹板標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm，局部加厚至32 mm。常規(guī)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。

邊跨橋梁典型橫斷面如下圖2，中跨橋梁典型橫斷面如下圖3（圖中尺寸橋?qū)捨窗?0 cm 外包護(hù)欄寬度）。

圖2 邊跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

圖3 中跨主梁橫斷面圖（單位：mm）

3 鋼箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 鋼箱梁計(jì)算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)空間計(jì)算程序Midas civil2019 計(jì)算，根據(jù)實(shí)際施工步驟確定計(jì)算工況。其中中跨4 m人行道加寬范圍，計(jì)算偏安全考慮，按照偏心荷載施加于主梁上后，分別按照考慮其截面范圍的縱向剛度貢獻(xiàn)和不考慮其剛度貢獻(xiàn)兩種計(jì)算模型進(jìn)行分析，綜合取最不利包絡(luò)結(jié)果。

鋼箱梁的截面有效分布寬度根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015） 中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)離散示意圖如下圖4 所示。

圖4 整體有限元模型結(jié)構(gòu)離散圖

3.2 鋼箱梁施工階段計(jì)算

本橋梁設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)體施工方案，轉(zhuǎn)體最大懸臂為71.5+64 m，兩側(cè)通過(guò)配重進(jìn)行施工階段的整體平衡?？紤]最不利情況，施工階段僅計(jì)算最大懸臂狀態(tài)，結(jié)果如下：

（1）施工階段最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁最大拉應(yīng)力為134 MPa，最大壓應(yīng)力為195 MPa，均小于270 MPa，滿足規(guī)范安全要求。

（2）最大懸臂狀態(tài)，主梁在恒載作用下邊跨端點(diǎn)最大位移795 mm，中跨端點(diǎn)最大位移737 mm。轉(zhuǎn)體完成后，需采取頂升措施，將懸臂梁端頂升至設(shè)計(jì)位置后再進(jìn)行梁段合攏。

（3）最大懸臂狀態(tài)下主梁穩(wěn)定性

考慮轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，臨時(shí)T 構(gòu)的兩側(cè)懸臂荷載的不平衡可能會(huì)引起臨時(shí)固結(jié)系統(tǒng)的受力不均勻，按照實(shí)際配重為設(shè)計(jì)配重的85%估算考慮。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時(shí)錨固最大拉力為1 971 kN；本項(xiàng)目采用PSB1080Φ50 mm精軋螺紋鋼臨時(shí)墩梁固結(jié)，考慮3 倍的安全系數(shù)，精軋螺紋鋼最大抗拉強(qiáng)度為4×588=2 352 kN＞1 971 kN，滿足要求。

由施工配重偏差（15%）不平衡引起的臨時(shí)錨固支座最大壓力為9 348 kN；本項(xiàng)目采用兩對(duì)800×800 mm 臨時(shí)支座系統(tǒng)，混凝土最大壓應(yīng)力為7.3 MPa，滿足要求。

3.3 鋼箱梁運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算

本橋鋼箱梁頂板及底板主梁的彎曲應(yīng)力極值為：頂板最大拉應(yīng)力為194.4 MPa，最大壓應(yīng)力為-158.9 Pa，底板最大拉應(yīng)力為254.1 MPa，最大壓應(yīng)力為-196 Pa；均滿足相應(yīng)材質(zhì)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。具體計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 計(jì)算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.4 鋼橋面板局部受力分析

鋼橋面板局部受力，主要計(jì)算第二體系應(yīng)力，及鋼箱梁懸臂應(yīng)力計(jì)算。

（1）有限元模型

使用有限元軟件建模分析，橫隔板及U 形加勁肋采用板殼單元模擬，為了避免邊界條件對(duì)局部分析的影響，縱橋向取三跨9 m 進(jìn)行計(jì)算，本模型計(jì)算參數(shù)均取自該鋼箱梁橋設(shè)計(jì)圖標(biāo)準(zhǔn)梁段。

（2）計(jì)算假設(shè)及作用荷載

計(jì)算時(shí)假設(shè)鋼板和鋪裝層完全連續(xù)，鋪裝材料為線彈性材料，且計(jì)鋪裝、護(hù)欄聲屏障等結(jié)構(gòu)自重的影響。模型的約束條件如下：端部橫隔板及底板完全約束。根據(jù)規(guī)范，車(chē)輪與鋪裝接觸面積為600 mm（橫橋向）×200 mm（順橋向），同時(shí)考慮170 mm 鋪裝層的對(duì)輪載擴(kuò)散作用，擴(kuò)散角度按照45°考慮，車(chē)輛的后軸重140 kN，如此作用在鋼橋面板上的壓力為0.216 MPa，乘以沖擊系數(shù)1.3，得到作用在鋪裝層上的壓力為0.285 MPa。幾何模型見(jiàn)圖5，有限元模型見(jiàn)圖6。

圖5 幾何模型

圖6 有限元模型

（3）橋面板局部計(jì)算結(jié)果

計(jì)算考慮車(chē)輪實(shí)際加載情況，計(jì)算多種工況，U肋和挑臂最不利計(jì)算，如圖7～圖10 所示。

圖7 頂板順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖8 頂板橫橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖9 U 形加勁肋順橋向應(yīng)力云圖（單位：MP a）

圖10 橫梁挑臂板等效應(yīng)力云圖（單位：MP a）

由局部分析模型計(jì)算結(jié)果可知：

a. 頂板順橋向最大壓應(yīng)力-33.3 MPa，最大拉應(yīng)力35.7 MPa；橫橋向最大壓應(yīng)力-39.8 MPa，最大拉應(yīng)力59.7 MPa；最大等效應(yīng)力為52.5 MPa。

b. U 形加勁肋順橋向最大壓應(yīng)力-28.4 MPa，最大拉應(yīng)力32.4 MPa；最大等效應(yīng)力為51.6 MPa。

c. 橫梁懸臂根部下緣板最大橫橋向應(yīng)力-82.9MPa。

d. 活載下挑臂邊緣最大豎向撓度為4.9 mm＜7 500/300=25 mm，滿足要求。

3.5 結(jié)論

（1）經(jīng)計(jì)算分析可知，該橋在施工階段受力及穩(wěn)定性均滿足要求。

（2）鋼箱梁彎曲應(yīng)力：綜合該鋼箱梁橋第一體系（整體計(jì)算）和第二體系（局部計(jì)算）結(jié)果：頂板最大拉應(yīng)力為194.4+35.7=230.1 MPa，最大壓應(yīng)力為158.9+33.3=192.2 Pa；底板最大拉應(yīng)力為254.1 MPa，最大壓應(yīng)力為-196 Pa；均滿足相應(yīng)材質(zhì)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。（Q345qD 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度270 MPa,Q420qD 鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度320 MPa）[1]。

（3）鋼箱梁橫橋向局部分析結(jié)果：橫梁懸臂根部下緣最大應(yīng)力82.9 MPa＜270 MPa,挑臂邊緣最大撓度4.9 mm＜25 mm，應(yīng)力及剛度均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算，大懸臂鋼箱梁結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。目前沙湖大道跨徐東大街橋梁工程正如火如荼的進(jìn)行中，橋梁將于2021 年底建成通車(chē)。城市高架橋中，人行天橋和城市橋梁合建將會(huì)越來(lái)越多，此橋梁的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將為類似橋梁建設(shè)提供借鑒。