祝歡

（南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇南京210019）

0 引言

鋼箱梁在滿足交通功能及耐久性需求的同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)自重輕、彈性模量大、抗拉強(qiáng)度高、材料重復(fù)利用率高、工廠化預(yù)制安裝快捷、質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于市政及公路等工程項(xiàng)目中。在周邊環(huán)境、地貌復(fù)雜的市政工程建設(shè)過程中，受現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地限制，小半徑曲線匝道橋布設(shè)要求較高，為最大化節(jié)省用地空間，且盡量減少施工期間對(duì)周邊環(huán)境的干擾，并綜合考慮施工難易度、工程造價(jià)等，往往也采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁在材料補(bǔ)給、施工簡(jiǎn)單、養(yǎng)護(hù)方便上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但鋼箱梁結(jié)構(gòu)自身正交各項(xiàng)異性橋面板鋪裝、疲勞破壞等相較于鋼筋混凝土橋梁面板而言，具有耐久性略差的缺點(diǎn)，且鋼箱梁鋼構(gòu)件縱、橫向交錯(cuò)處需設(shè)置開孔，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)，注意構(gòu)造細(xì)節(jié)并加以改善，控制好梁高、板厚、橫隔板間距等，滿足結(jié)構(gòu)安全、抗疲勞、耐久性要求。

1 工程概況

南京某項(xiàng)目位于南京市江北新區(qū)。隨著江北新區(qū)的發(fā)展，南京主城區(qū)與江北核心區(qū)之間過江通道面臨的交通壓力越來越大。近年來，南京市逐步加大道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在全市路網(wǎng)范圍建成了一大批快速交通道路，由于交通壓力依舊不減，城市交通仍存在一系列問題，如快速路網(wǎng)局部尚未完善、過江通道壓力日漸增大、過江通道位置整體不均衡等。該項(xiàng)目的建設(shè)可實(shí)現(xiàn)南京市江北新區(qū)跨越式發(fā)展的目標(biāo)，滿足建設(shè)宜居且可持續(xù)的城市發(fā)展需要。

該項(xiàng)目D匝道大橋上跨現(xiàn)狀河道及運(yùn)營鐵路，受場(chǎng)地條件限制需采用對(duì)現(xiàn)狀控制因素影響最小的施工方案，綜合上述因素，第四聯(lián)采用跨徑27m+28m連續(xù)頂推鋼箱梁，箱梁頂板由路線中心線處向一側(cè)傾斜形成單向2%橫坡，頂板亦成2%橫坡，底板設(shè)置成水平。箱梁高度1.80m，在跨中附近對(duì)頂?shù)装暹M(jìn)行加厚，各片腹板均鉛垂布置。箱梁頂板寬9.2m，底板寬5.05m，鋼箱梁一般橫斷面詳見圖1。鋼箱梁邊支點(diǎn)附近的頂板厚度采用16mm，底板厚度采用16mm，腹板厚度采用16mm；中支點(diǎn)附近的頂板厚度采用18mm，底板厚度采用18mm，腹板厚度采用20mm；跨中頂板厚度采用14mm，底板厚度采用14mm，腹板厚度采用14mm。鋼箱梁橫隔板采用實(shí)腹式、框架式兩種形式，每隔3m交替布置。鋼箱梁縱向加勁肋采用U肋、板肋兩種形式，箱室內(nèi)頂、底板縱肋均采用U肋，箱室內(nèi)腹板縱肋采用板肋，懸臂縱肋采用U肋、板肋[1]。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 強(qiáng)度分析

鋼箱梁計(jì)算需考慮第一體系和第二體系疊加效應(yīng)。按照桿系單元進(jìn)行鋼箱梁整體計(jì)算，共計(jì)梁?jiǎn)卧?3個(gè)，節(jié)點(diǎn)56個(gè)，計(jì)算采用的有限元模型見圖2。

圖2 鋼箱梁桿系模型圖

圖4 第一體系計(jì)算箱梁底板應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

鋼箱梁第一體系：鋼箱梁橋面板與縱向加勁肋組成的結(jié)構(gòu)單元，參與主梁共同受力，為主梁體系。上部荷載通過主梁體系傳遞給支座橫梁，可采用一般梁力學(xué)分析方法，第一體系可采用初等梁彎曲理論進(jìn)行計(jì)算。鋼箱梁頂?shù)装寮案拱宓牡谝惑w系折算應(yīng)力詳見圖3-圖5。鋼箱梁頂板最大壓應(yīng)力176.4MPa，底板最大壓應(yīng)力217.3MPa，鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力為96.3MPa，位于支座位置。

圖3 第一體系計(jì)算箱梁頂板應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖5 腹板剪應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

鋼箱梁第二體系：鋼箱梁橋面板直接承受車輪荷載，通過縱橫向加勁肋傳遞給橫隔板，該體系由橫肋、縱肋和橋面板組成，更加接近鋼箱梁實(shí)際受力狀態(tài)，可按正交異性板理論計(jì)算。第二體系采用單根縱肋簡(jiǎn)化計(jì)算。將面板及其縱肋在車輛荷載作用時(shí)按3m跨度（橫隔板間距）進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算模型見圖6。

圖6 第二體系計(jì)算模型

第二體系應(yīng)力在車輛荷載（含沖擊系數(shù)0.4）作用下最大壓應(yīng)力為27.9MPa。第一、二體系應(yīng)力組合為1.1×（176.4+27.9×1.8）≈249.3MPa＜275MPa。

第三體系為面板體系，縱、橫向加勁肋上的橋面板可被視為各向同性連續(xù)板。橋面板視為單面板承受加勁肋間的車輪荷載，并把承受荷載傳遞到縱、橫向加勁肋上。由于第三體系應(yīng)力是導(dǎo)致鋼箱梁正交異性板產(chǎn)生疲勞的重要原因，因此進(jìn)行疲勞驗(yàn)算時(shí)第三體系應(yīng)力產(chǎn)生影響不可忽視。本文主要對(duì)該鋼箱梁案例進(jìn)行第一體系、第二體系分析計(jì)算。

3.2 撓度分析

相對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，鋼箱梁整體剛度較小，箱梁主梁變形撓度需進(jìn)行控制。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015），計(jì)算豎向撓度時(shí)按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值（系數(shù)為1.0），該作用下鋼箱梁豎向撓度不超過計(jì)算跨徑的1/500。橋梁在汽車荷載作用下的最大豎向撓度為16.72mm＜28000/500=56mm，滿足規(guī)范要求。

4 頂推設(shè)計(jì)

4.1 頂推施工措施

鋼箱梁施工先于相鄰橋梁，待鋼箱梁施工完成后才能施工相鄰的混凝土箱梁。鋼箱梁兩跨拼裝完成后，一起進(jìn)行頂推。

第一，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及頂推施工要求，搭設(shè)鋼箱梁頂推作業(yè)平臺(tái)。

第二，將導(dǎo)梁與鋼箱梁端部進(jìn)行焊接連接。

第三，穿鋼箱梁頂推鋼束，穿過后錨裝置，檢驗(yàn)錨具與鋼絞線間是否加緊。穿索可采用引線桿導(dǎo)向?qū)︿撌M(jìn)行導(dǎo)向。穿索完成且安裝完畢后，用千斤頂對(duì)其單根預(yù)緊，確保頂推施工中的鋼箱梁整體受力均勻。

第四，臨時(shí)支撐處施工完成后，對(duì)橫向限位裝置進(jìn)行安裝。橫向限位裝置包括支撐后背、導(dǎo)向輪和連接鋼板。支撐后背與墩身外伸梁通過焊接連接，導(dǎo)向輪與支撐后背通過螺栓連接，螺栓之間距離可用于調(diào)節(jié)鋼箱梁與導(dǎo)向輪之間間距。鋼箱梁成曲線型頂推，并對(duì)其及時(shí)進(jìn)行糾偏。

第五，試頂力通過控制千斤頂施加。試頂距離可采用0.5m。試頂過程中及時(shí)記錄試頂時(shí)間和試頂速度，將試頂實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步調(diào)整速度。

第六，正式鋼箱梁頂推，對(duì)溢流閥工作限壓進(jìn)行調(diào)整，在30%～100%的牽引力下，對(duì)鋼箱梁及導(dǎo)梁變形情況進(jìn)行檢查。

在自動(dòng)頂推運(yùn)行模式情況下，對(duì)鋼箱梁進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)頂推，并在頂推過程中對(duì)油壓的最大值和最小值進(jìn)行記錄，確保頂推施工時(shí)所有就位的千斤頂同時(shí)工作。

第七，頂推控制：頂推施工過程通過橫向糾偏裝置對(duì)頂推路徑進(jìn)行控制并及時(shí)調(diào)整左右方向，頂推距離通過點(diǎn)動(dòng)并結(jié)合經(jīng)緯儀的方式進(jìn)行控制，鋼箱梁就位后中線偏移量控制在2cm以內(nèi)。

由于該聯(lián)鋼箱梁位于半徑290m的圓曲線上，應(yīng)注意及時(shí)調(diào)整頂推千斤頂方向，以確保在平面上頂推方向與橋梁中心線切線方向保持一致，頂推豎向應(yīng)與豎曲線的切線方向保持一致，頂推時(shí)應(yīng)采取措施確保內(nèi)、外弧頂推移動(dòng)過程保持協(xié)調(diào)。

第八，鋼箱梁就位：頂推施工前，應(yīng)將墩頂上的鋼箱梁下部支座安裝完畢，鋼箱梁就位之后采用千斤頂進(jìn)行落梁，將鋼箱梁安放至墩頂位置。

第九，頂推監(jiān)測(cè)：該案例工程鋼箱梁安裝工藝為頂推施工，施工工況下結(jié)構(gòu)受力體系多次轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)受力變化較大，施工過程中需要對(duì)鋼箱梁、導(dǎo)梁及下部結(jié)構(gòu)及時(shí)監(jiān)測(cè)及記錄。

頂推施工過程中設(shè)置臨時(shí)支撐，根據(jù)頂推工況設(shè)置配重塊，頂推方向從28m跨開始，支承處設(shè)置臨時(shí)墊塊、千斤頂?shù)龋斖瓶傮w布置圖詳見圖7。

圖7 頂推總體布置圖（單位：cm）

4.2 頂推施工計(jì)算分析

鋼箱梁頂推施工時(shí)，頂板最大應(yīng)力109.2MPa，底板最大應(yīng)力96.3MPa，頂推階段滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

第一，此次在頂推連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)過程中，通過設(shè)置合理的梁高、結(jié)構(gòu)厚度、橫隔板，并在不同位置設(shè)計(jì)合理的閉口U肋及板肋，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性，可為以后同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

第二，鋼箱梁頂推施工已逐漸成為常用的施工方法，隨著頂推施工技術(shù)的發(fā)展，頂推噸位逐漸增大，工程施工中采用頂推工藝的項(xiàng)目越來越多。對(duì)于頂推施工法的鋼箱梁設(shè)計(jì)工程中，除對(duì)橋梁運(yùn)營階段進(jìn)行計(jì)算分析外，還需對(duì)鋼箱梁頂推啟動(dòng)至安裝就位的各施工階段進(jìn)行計(jì)算分析。另外，由于頂推施工過程中梁體存在多處體系轉(zhuǎn)換，施工過程中應(yīng)對(duì)梁體、臨時(shí)墩等主要部位的應(yīng)力和變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。

第三，本文僅針對(duì)鋼箱梁施工及使用階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，雖能確保結(jié)構(gòu)安全性，但受鋼箱梁自身材料特性的影響，鋼橋面板細(xì)節(jié)構(gòu)造的疲勞問題、其他施工方法等有待進(jìn)一步研究。