胡祥森，黃 亮，余茂峰

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

窄幅鋼箱組合梁通過(guò)縮小箱室寬度來(lái)增加翼緣板厚度，從而減少頂?shù)装蹇v向加勁肋的數(shù)量并省略其橫向加勁板，同時(shí)配合采用耐久性好的鋼混組合橋面板或預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板來(lái)增大橋面板的跨徑并省去橋面板小縱梁，是一種能夠大幅減少構(gòu)件數(shù)量的合理化橋梁。由于其具有構(gòu)件特別是箱內(nèi)構(gòu)件大幅減少、制造方便，鋼主梁輕型化、便于運(yùn)輸和安裝，受力合理、曲線及變寬適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，符合工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化的綠色公路理念，所以窄幅鋼箱組合梁在國(guó)外特別是日本得到了推廣應(yīng)用；但目前窄幅鋼箱組合梁在國(guó)內(nèi)應(yīng)用很少，尚在探索階段；國(guó)內(nèi)關(guān)于窄幅鋼箱組合梁的資料很少，相關(guān)文獻(xiàn)屈指可數(shù)。有鑒于此，本文擬通過(guò)闡述柯諸高速公路(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁的設(shè)計(jì)思路及詳細(xì)情況，供類似工程參考，也為國(guó)內(nèi)窄幅鋼箱組合梁的快速推廣出力。

1 工程概況

柯諸高速采用高架橋形式上跨蘭店快速路；蘭店快速路現(xiàn)狀寬17m，遠(yuǎn)期預(yù)留27m，與主線右交角約32°；經(jīng)研究需要85m跨徑跨越?？缭教幙轮T高速路基標(biāo)準(zhǔn)寬度33.5m，主線采用分幅式斷面，單幅橋?qū)?6.25m。設(shè)計(jì)采用(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁以左右幅錯(cuò)孔布置形式跨越蘭店快速路，輔以大節(jié)段吊裝+支架拼裝的施工方案，做到施工期間不中斷交通。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 斷面形式

單幅橋?qū)?6.25m，橋跨布置為(50+85+50)m，主梁采用窄幅鋼箱-混凝土組合梁，橋面板采用鋼混組合橋面板。

窄幅鋼箱組合梁針對(duì)各種橋?qū)捒梢造`活布置，但為充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，一般來(lái)說(shuō)應(yīng)盡量拉大主梁間距，并配合使用鋼混組合橋面板以減輕橋面板重量。鋼混組合橋面板的跨徑通常不超過(guò)6m，且懸挑長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)主梁間橋面板跨徑的0.4倍。

基于上述考慮，本橋合理的斷面布置如圖1所示。橋梁采用三主梁結(jié)構(gòu)，箱室寬度1.4m，挑臂長(zhǎng)度1.5m，箱間凈距4.525m，鋼箱中心距5.925m。各鋼箱之間通過(guò)箱間橫梁進(jìn)行連接，箱上鋼混組合橋面板跨中及挑臂外側(cè)厚250mm，在箱頂范圍內(nèi)加厚至350mm，上設(shè)100mm瀝青鋪裝。

圖1 橋梁典型斷面示意(單位:mm)

2.2 箱室寬度

窄幅鋼箱組合梁區(qū)別于常規(guī)鋼箱組合梁的重要因素就是箱寬，即鋼箱梁腹板間距；窄幅鋼箱梁的腹板間距是該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，關(guān)系到結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理化?？紤]到安裝、制造及檢修時(shí)箱內(nèi)的操作空間，腹板最小間距應(yīng)不小于1.2m；箱寬增加，一般會(huì)引起結(jié)構(gòu)用鋼量增加。

考慮到本橋跨徑較大，中支點(diǎn)處支承加勁及橫梁對(duì)頂板的設(shè)置情況較復(fù)雜，本橋窄幅鋼箱梁的腹板間距取為1.4m。

2.3 梁高

鋼主梁的經(jīng)濟(jì)梁高一般為最大跨徑的1/20～1/30，連續(xù)梁較簡(jiǎn)支梁梁高可以稍低些。合理的邊中跨比(0.5～0.8)時(shí)，一般由中跨跨中控制設(shè)計(jì)；邊中比較小時(shí)，邊跨對(duì)中跨的卸載作用較小，跨中梁高可取高一點(diǎn)；邊中跨比較大時(shí)，跨中梁高可取低一點(diǎn)。本橋邊中跨比0.588；鋼主梁梁高取為跨中高2.8m，中支點(diǎn)高3.8m，高跨比分別為1/30.4、1/22.4；考慮0.35m橋面板厚后，主梁全高跨中3.15m，中支點(diǎn)處4.15m；在中支點(diǎn)附近9.75m范圍內(nèi)梁高采用直線進(jìn)行過(guò)渡。

2.4 板件厚度

箱梁頂?shù)装搴穸纫话阌墒芰︱?yàn)算確定。對(duì)于不控制設(shè)計(jì)的區(qū)域，為了充分發(fā)揮窄幅鋼箱梁的優(yōu)勢(shì)，從取消受拉區(qū)頂?shù)装蹇v向加勁肋并保證運(yùn)輸及安裝過(guò)程中的局部穩(wěn)定的角度出發(fā)，箱梁頂?shù)装遄钚『穸炔粦?yīng)小于箱室腹板間距的1/80；對(duì)本橋來(lái)說(shuō)，箱梁頂?shù)装遄钚『穸炔粦?yīng)小于1400/80≈18mm。另外，從加工制造的便利性出發(fā)，應(yīng)盡量控制頂?shù)装搴穸刃∮?0mm；從充分發(fā)揮鋼材的受力性能來(lái)說(shuō)，宜將大多數(shù)板件厚度控制在40mm以內(nèi)。

腹板厚度首先應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的最小厚度，并在剪力較大的中支點(diǎn)區(qū)域加厚以滿足抗剪要求。

為盡量減少箱內(nèi)構(gòu)件，發(fā)揮窄幅鋼箱梁的優(yōu)勢(shì)，方便加工制造，箱梁頂?shù)装宓脑O(shè)置應(yīng)省略橫肋，并只在受壓區(qū)設(shè)置1～2道縱肋。

本橋鋼箱梁的板件厚度在16～46mm不等，鋼梁頂、底板縱向在受壓區(qū)均設(shè)置一道板肋，除了中墩附近梁高加高段腹板在受壓區(qū)設(shè)置兩道水平加勁肋外，其余鋼梁腹板均在相應(yīng)受壓區(qū)設(shè)置一道水平加勁肋。主梁鋼材均采用Q355D鋼材。

2.5 箱內(nèi)橫隔板

箱內(nèi)橫隔板的作用是防止截面產(chǎn)生過(guò)大的變形，提高截面抗扭能力并傳遞箱間橫梁的附加應(yīng)力等。根據(jù)日本公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)指南，本橋箱內(nèi)隔板間距可不大于6m；同時(shí)根據(jù)相關(guān)研究，為盡量減少箱梁翹曲變形，宜在中跨跨中位置設(shè)置一道橫隔板[1]。從制造、運(yùn)輸及架設(shè)角度考慮，一個(gè)鋼梁節(jié)段的橫隔板數(shù)不宜少于2個(gè)，由于鋼主梁的節(jié)段長(zhǎng)度通常在10～12m左右，故本橋箱內(nèi)橫隔板的間距宜在5m左右。

當(dāng)設(shè)置實(shí)腹式橫隔板時(shí)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算情況，隔板的剛度富裕較大，應(yīng)力一般也不控制設(shè)計(jì)，故跨間橫隔板的板厚可取12mm左右，支點(diǎn)橫隔板一般需要加厚，具體需根據(jù)驗(yàn)算情況確定。

本橋箱間橫隔板在跨中區(qū)域每隔5～6m設(shè)置一道，在中支點(diǎn)附近適當(dāng)加密，并在中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)及中跨跨中特定位置處設(shè)置。本橋跨間橫隔板厚度采用12mm，邊支點(diǎn)橫隔板厚16mm，中支點(diǎn)橫隔板厚30mm。為方便檢修，除支點(diǎn)外，在箱內(nèi)橫隔板上均開(kāi)設(shè)人洞。

2.6 箱間橫梁

箱間橫梁的作用是在架設(shè)時(shí)保持結(jié)構(gòu)形狀、減少主梁之間的相對(duì)撓度差、傳遞橫向荷載及通過(guò)橫向分配荷載來(lái)減少單個(gè)主梁的受力以及提高整個(gè)橋梁的扭轉(zhuǎn)剛度等。由于鋼混組合梁設(shè)置了較強(qiáng)大的混凝土頂板，故在架設(shè)后，橫梁傳遞橫向荷載及橫向分配荷載的作用大大減少。從施工角度考慮，一個(gè)主梁節(jié)段內(nèi)應(yīng)設(shè)置一根箱間橫梁；從傳力的角度出發(fā)，箱間橫梁應(yīng)設(shè)置在箱內(nèi)橫隔板對(duì)應(yīng)位置。

本橋在支點(diǎn)處及跨間間隔10m左右設(shè)置一道箱間橫梁，橫梁均采用工字型截面。

2.7 抗剪連接件

抗剪連接件起到將鋼主梁和橋面板組合在一起共同工作的關(guān)鍵作用。根據(jù)既有工程實(shí)踐，栓釘連接件是性能較為優(yōu)越的柔性連接件。受橋面板混凝土收縮等影響，組合橋梁端結(jié)合面受到的縱向剪力會(huì)明顯增大；另外，在中支點(diǎn)附近，由于豎向剪力較大，引起局部區(qū)域的結(jié)合面剪力也較大；故，在梁端部及中支點(diǎn)處應(yīng)對(duì)抗剪連接件進(jìn)行加強(qiáng)。梁端部加強(qiáng)范圍可取主梁間距和主梁跨徑的1/10中的較小值，中支點(diǎn)加強(qiáng)范圍可根據(jù)計(jì)算情況確定[2]。

本橋剪力釘采用圓頭栓釘，規(guī)格為Φ22×200mm，一般段縱向間距為250mm，在梁端約7m范圍及中支點(diǎn)左右各5m范圍內(nèi)加密至125mm；橫向間距2×100mm，緊靠箱梁腹板內(nèi)側(cè)布置。

2.8 組合橋面板設(shè)計(jì)

窄幅鋼箱組合梁秉持少主梁、窄箱室的理念，所以其橋面板跨徑一般較大，并多采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板或鋼混組合橋面板。本橋采用鋼混組合橋面板，其由底鋼板、連接件與現(xiàn)澆混凝土構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)合理、跨越能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。

一般地，組合橋面板的跨中最小厚度(含底鋼板),hc=25Lc+110>160(mm)，式中，Lc為橋面板中跨跨徑；計(jì)算得到的hc應(yīng)以厘米為單位向上取整。當(dāng)懸挑長(zhǎng)度不大于0.4Lc且小于2.5m時(shí)，懸臂部位橋面板厚度可以同樣取為hc。橋面板底鋼板的厚度一般為6～9mm。鋼混組合橋面板的剪力連接件主要有開(kāi)孔板+穿孔鋼筋、栓釘+加勁板、型鋼開(kāi)孔板、鋼筋格構(gòu)剪力連接件等四種，最常用的為開(kāi)孔板+穿孔鋼筋剪力連接件，當(dāng)橋面變寬較大引起穿孔鋼筋施工困難時(shí)，可采用栓釘+加勁板剪力連接件。

本橋鋼混組合橋面板由鋼面板和現(xiàn)澆混凝土組成；底鋼板(厚8mm)、側(cè)端板、開(kāi)孔板加勁肋及其余金屬固定或支承件共同組成鋼面板，然后在鋼面板之上現(xiàn)澆混凝土，混凝土與鋼面板通過(guò)開(kāi)孔板(設(shè)Φ22穿孔鋼筋)等橫向抗剪連接件實(shí)現(xiàn)結(jié)合。鋼面板采用在工廠分段制作、運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)吊裝后用高強(qiáng)螺栓拼接，鋼面板可作為橋面板混凝土澆注時(shí)的底模，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)支架無(wú)模板施工。

組合橋面板單幅標(biāo)準(zhǔn)寬度為16.25m，懸臂長(zhǎng)為1.5m。橋面板跨中及懸臂外側(cè)厚度(含底鋼板)為250mm，與鋼梁連接處厚度為350mm。其典型斷面如圖2所示。

圖2 組合橋面板斷面示意(單位:mm)

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 有限元模型

采用橋梁博士V4.4建立梁格空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，鋼梁與混凝土板間用剛臂連接，有限元模型如圖3所示。汽車荷載采用公路—Ⅰ級(jí)，活載按實(shí)際橋面布置并采用影響面進(jìn)行加載，支座不均勻沉降按1/3000橋梁跨徑考慮，組合橋面板容重按27kN/m3計(jì)入，其余恒活載按實(shí)際情況及規(guī)范規(guī)定考慮[3]。計(jì)算時(shí)考慮板件局部穩(wěn)定折減及頂?shù)装寮袅?yīng)折減[4]，中墩墩頂左右各0.15倍跨徑(13m)范圍內(nèi)橋面板按開(kāi)裂截面考慮，鋼主梁與橋面板間剪力連接件按實(shí)際輸入并按規(guī)范規(guī)定考慮層間滑移[5]。

圖3 全橋有限元模型

3.2 施工階段

按施工過(guò)程計(jì)算時(shí)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)施工階段：

(1)搭設(shè)支架進(jìn)行鋼主梁吊裝。

(2)鋼主梁節(jié)段間焊接。

(3)鋼主梁間橫梁連接。

(4)拆除臨時(shí)支架。

(5)正彎矩區(qū)橋面板安裝、澆筑。

(6)正彎矩區(qū)橋面板起強(qiáng)并澆筑負(fù)彎矩區(qū)橋面板。

(7)負(fù)彎矩區(qū)橋面板起強(qiáng)并施工橋面系。

(8)成橋十年。

3.3 鋼主梁驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)圖4～圖8，基本組合下：鋼梁上緣最大拉應(yīng)力248.1MPa，最大壓應(yīng)力243.3 MPa，下緣最大拉應(yīng)力239.1MPa，最大壓應(yīng)力250.5 MPa，均滿足規(guī)范規(guī)定的260/270MPa限值；主梁組合最大剪力7146.3kN，最小剪力3870.1kN，均小于主梁抗剪承載力28600kN；鋼主梁腹板折算最大應(yīng)力247.1 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的1.1×270=297MPa限值。

圖4 基本組合鋼主梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 基本組合鋼主梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖6 基本組合最大剪力及鋼主梁抗剪承載力包絡(luò)圖

圖7 基本組合最小剪力及鋼主梁抗剪承載力包絡(luò)圖

圖8 基本組合鋼主梁腹板折算應(yīng)力圖

3.4 抗剪連接件驗(yàn)算結(jié)果

如圖9所示，基本組合下結(jié)合面最大剪力3417.6kN，出現(xiàn)在梁端，對(duì)應(yīng)處的結(jié)合面抗剪承載力6597.3kN，其他位置結(jié)合面抗剪承載力均大于相應(yīng)處的結(jié)合面剪力效應(yīng)，滿足要求。如圖10所示，>正常施工極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合下結(jié)合面最大滑移值0.119mm<0.2mm。

圖9 基本組合連接件抗剪驗(yàn)算圖

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合下結(jié)合面滑移驗(yàn)算圖

3.5 橋面板驗(yàn)算結(jié)果

如圖11所示，橋面板縱向最大裂縫寬度出現(xiàn)在中墩墩頂，為0.116mm，縱向抗裂滿足相關(guān)要求。

圖11 頻遇組合橋面板裂縫寬度驗(yàn)算圖

鋼混組合橋面板為橫向單向板，將底鋼板等效為同等面積的鋼筋，偏保守考慮不計(jì)橫向開(kāi)孔板的作用，經(jīng)橫向輪載驗(yàn)算，橋面板受力滿足要求。

4 中支點(diǎn)負(fù)彎矩抗裂控制措施

大跨連續(xù)鋼混組合梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域橋面板易出現(xiàn)裂縫，負(fù)彎矩區(qū)抗裂常用的方法有施加預(yù)應(yīng)力法、支點(diǎn)強(qiáng)迫位移法、采用超高性能混凝土法、壓重法、柔性連接件組合法[6]、調(diào)整施工工序法等。施加預(yù)應(yīng)力法對(duì)鋼梁內(nèi)力有影響，且工序較復(fù)雜；以抗拔不抗剪剪力釘為代表的柔性連接件組合法，從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，一般用于60m以下的中小跨徑組合梁中；對(duì)于施加預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)迫位移法，部分學(xué)者認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，其施加的預(yù)加力效應(yīng)會(huì)逐漸消失[7]。

對(duì)于大跨徑連續(xù)鋼混組合梁，壓重法代價(jià)高，施工復(fù)雜；強(qiáng)迫位移法需要頂升及落梁的位移較大；若采用超高性能混凝土則成本較高。從本橋有關(guān)驗(yàn)算及實(shí)踐情況來(lái)看，對(duì)于大跨徑連續(xù)鋼混組合梁，采用調(diào)整施工工序法，先澆注正彎矩區(qū)橋面板混凝土后再澆注負(fù)彎矩區(qū)(中支點(diǎn)左右各0.15倍跨徑范圍)橋面板混凝土，基本不增加成本及工序，施工方便，并可以較好地控制中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)橋面板的應(yīng)力水平和裂縫寬度，完全能滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合柯諸高速上跨蘭店快速路處的(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁工程實(shí)例，全面介紹了窄幅鋼箱組合橋梁斷面形式和箱寬的擬定、梁高及板件厚度的選擇、橫隔板及橫梁的設(shè)置及抗剪連接件的選用，并著重介紹了鋼混組合橋面板的設(shè)計(jì)；進(jìn)一步地，對(duì)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行了介紹，表明(50+85+50)m窄幅鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及抗剪連接件、組合橋面板等均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可行；最后，文章討論了適合大跨連續(xù)鋼混組合梁中支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的抗裂控制措施。

窄幅鋼箱組合梁是一種合理化的橋梁結(jié)構(gòu)，具有制造、運(yùn)輸及安裝方便、受力合理、曲線及變寬適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化的綠色公路理念，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用很少，尚在探索階段；鑒于窄幅鋼箱組合梁及組合橋面板在國(guó)內(nèi)的資料較少，本文的介紹可供類似工程參考，并有望為結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用助力。