含大跨隐横梁曲线钢箱梁桥设计及受力性能分析

熊 诚,危玉蓉,梁庆学

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010)

随着我国城镇化进程的不断推进,城市道路交通基础建设不断发展。为满足人们日益增长的出行需求,缓解交通拥堵,许多城市先后建设了大量城市立交。城市立交相比公路立交而言,受制于征拆、用地、地面辅道交通等诸多因素影响,其总体布线更加复杂,立交层数较多,因此立交桥梁设计也更为复杂。所建桥梁常位于变宽曲线段,且桥梁布墩空间受限明显,桥梁选型需综合考虑结构受力性能、跨越能力、美观性,并尽量减少施工对交通的影响。含隐横梁的曲线钢箱梁因具有跨越能力强、建筑高度小、布墩灵活等特点而广泛应用于城市立交。

1 工程概况

依托工程为宜昌市道路快速化改造工程互通立交节点,主线高架桥采用S形曲线布置,匝道线型均采用小半径曲线且位于立交顶层。主线及匝道桥大面积采用钢箱梁。

G匝道第二联采用小半径曲线连续钢箱梁,桥跨布置为(30.158+44+44.719+38.368)m,梁高1.9 m,曲线半径70 m,桥宽10 m,桥梁平面布置如图1所示。G4、G5、G8号墩采用墙式花瓶墩,支座间距2.6 m;G6号墩采用双柱墩,支座间距4 m;受地面辅道空间制约,G7号墩设置于地面辅道两侧人行道,主梁采用外伸隐横梁,跨度达32.9 m。主梁施工方法为工厂节段预制,现场设临时胎架,吊装拼装。

图1 桥位平面布置

本实例桥梁具有以下特点:(1)主梁位于小半径曲线段,“弯扭耦合”效应明显;(2)墩顶均采用双支座体系,但支座布置受限明显,部分墩顶支座支撑线与主梁斜交,且支座间距较小,需重视桥梁抗倾覆设计;(3)为减小结构建筑高度,采用了大跨度外挑隐横梁结构,主梁构造复杂。

2 结构总体设计

主梁标准段采用两侧带挑臂的单箱双室截面。钢箱梁顶面宽9.8 m,挑臂长1.35 m,顶板标准段厚度16 mm,在中支点和边支点范围局部加厚至24 mm。顶板下设T型纵肋,T肋横向间距 300 mm,高度200 mm,腹板厚度8 mm,下翼板厚度14 mm。底板标准段厚度14 mm,在中支点和边支点范围局部加厚至24 mm。底板上方设I型纵肋,I肋横向间距300 mm,高度160 mm,I肋腹板厚度8 mm。腹板由两道边腹板和一道中腹板组成,边腹板倾斜布置,中腹板铅垂布置,标准段腹板厚度14 mm,在中支点和边支点范围局部加厚至24 mm。为确保腹板局部稳定性,腹板受压区设置纵向水平加劲肋,并沿纵桥向设置竖向加劲肋,竖向加劲肋标准间距2.0 m。钢箱梁内部设普通横隔板和支座横隔板,普通横隔板采用开孔的板式结构,隔板厚度12 mm,纵桥向标准间距2 m,顶底板纵肋在隔板位置开孔穿过;支座横隔板加厚至24 mm,并根据受力需要设置支撑加劲板。挑臂纵桥向标准间距1 m,与横隔板、横肋板严格对齐,挑臂腹板厚度12 mm,翼板厚度14 mm,挑臂翼板外贴4 mm钢板封闭。钢箱梁采用全焊接结构,材质为Q345qD。钢箱梁标准断面如图2所示。

图2 钢箱梁主梁标准断面(单位:mm)

3 结构模型建立

3.1 计算参数

(1)恒载:钢材重度γ=78.5 kN/m3。桥面净宽9 m,铺装采用10 cm沥青混凝土和8 cm钢纤维混凝土,荷载集度为39.6 kN/m;护栏采用钢筋混凝土护栏,荷载集度为10.5 kN/m。

(2)汽车荷载:城-A级,按实际车道数进行中载及偏载布置。

(3)温度:按整体升温25 ℃、整体降温-30 ℃考虑;基于该桥的铺装形式,主梁温度梯度按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.12条的温度梯度曲线确定,正效应(0,5.5,14),负效应(0,-2.75,-7)。

(4)支座沉降:不均匀沉降取10 mm。

3.2 计算方法

钢箱梁采用正交异性板桥面结构,其力流传递路径为桥面板—纵肋—横隔板—纵腹板—支座横梁—支座,一般分为3个体系进行内力计算。

第一体系为“主梁体系”,由顶底板与纵肋组成主梁截面,构成主要承重构件,该体系可采用初等梁弯曲理论进行计算分析。第二体系为“桥面结构体系”,由桥面板与纵横肋组成。桥面板及纵肋组合可视为弹性支撑于横肋上的连续梁。第三体系为“面板体系”,仅指桥面板,可将面板视为支撑于纵横肋上的连续板,桥面板应力一般呈薄膜应力状态,效应较小。结构计算分析时通常仅选取第一、二体系应力进行叠加分析[1]。

3.3 模型建立

(1)第一体系计算模型建立。

采用midas Civil进行结构计算分析,根据实际支座布置情况确定模型边界条件。主梁采用常规线单元进行纵向建模,隔板加劲及压重荷载通过节点及单元荷载施加。第一体系有限元计算模型如图3所示。

图3 第一体系有限元计算模型

(2)第二体系计算模型建立。

第二体系中,纵肋与桥面板支承于横隔板上,将自重、 二期恒载及车轮荷载传递给横隔板, 横隔板间距即纵肋的跨度。可采用比较简便的计算模式,以“有效宽度”将桥面板进行纵横向分割,每个桥面板纵肋附带一块一定横向宽度的顶板。有效宽度可采用《现代钢桥》相关方法计算[2]。本桥钢箱梁顶板纵肋采用T肋,为开口肋,主梁等效截面如图4所示,经计算,c值为0.11 m。

b—1/2主梁腹板间距;c—主梁翼缘有效宽度。图4 顶板纵肋等效截面

根据车轮宽度并考虑冲击系数及铺装厚度范围的应力扩散,得到单根纵肋轮载分配系数为0.223。根据二期恒载荷载集度及桥面宽度,得到单根纵肋二期恒载分配荷载集度为1.8 kN·m。采用midas梁单元建模,取5个隔板间距长度的纵向加劲进行桥面第二体系计算。

(3)横梁计算模型建立。

建模步骤如下:①进行横梁顶底板有效宽度计算,然后等效为工字钢截面;②根据主梁纵向体系计算恒载支反力,换算为腹板位置施加的荷载值;③计算单车道荷载,采用midas横向加载功能,横向移动布载并考虑多车道折减效应;④按实际支座建立边界。

4 结构计算结果分析

4.1 主梁第一体系应力计算

第一体系主梁顶底板及腹板应力计算结果如图5～图7所示。

图5 基本组合顶板第一体系正应力包络图(单位:MPa)

图6 基本组合底板第一体系正应力包络图(单位:MPa)

图7 基本组合腹板剪应力包络图(单位:MPa)

4.2 主梁第二体系应力计算

T肋上缘(第二体系桥面板)计算应力如图8所示。

图8 T肋上缘(桥面板处)应力包络图(单位:MPa)

由计算结果可知,T肋上缘最大压应力为-64.6 MPa,最大拉应力为36.0 MPa。

4.3 综合应力叠加计算

主梁综合应力叠加计算结果如表1所示。

表1 主梁综合应力叠加计算结果 单位:MPa

4.4 结构刚度验算

主梁竖向挠度采用结构力学方法计算。汽车车道荷载不考虑冲击系数,采用频遇值,频遇值系数为1.0。经计算,主梁各跨竖向挠度值分别为16、33、41、19 mm,均小于L/500,主梁结构刚度满足规范要求。

4.5 结构抗倾覆验算

为提高结构抗倾覆稳定性,各墩均采用双支座体系,尽可能加大支座间距,支座布置如图9所示。结合初步计算结果,合理设置压重区域。

图9 桥梁支座平面布置(单位:cm)

按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)第4.2.2条规定验算横桥向抗倾覆性能。

(1)在作用基本组合下,单向受压支座始终保持受压状态[3]。

(2)当整联只采用单向受压支座支承时,符合公式(1)要求[3]。

(1)

式中:ki为抗倾覆稳定系数;kqf为横向抗倾覆稳定系数;∑Sbk,i为使上部结构稳定的作用基本组合(分项系数均为1.0)的效应设计值;∑Ssk,i为使上部结构失稳的作用基本组合(分项系数均为1.0)的效应设计值。

验算结果如表2、表3所示。

表3 抗倾覆稳定性系数验算

4.6 横梁验算

G07号墩横梁应力验算结果如图10、图11所示。可知G07号墩横梁的最大正应力与最大剪应力分别为:σmax=102.8 MPa,τmax=19.8 MPa, 均满足规范要求。

图10 G07号墩外伸横梁正应力计算结果(单位:MPa)

图11 G07号墩外伸剪应力计算结果(单位:MPa)

5 关键节点设计

5.1 支座防脱空设计

小半径曲线桥因主梁内外侧弧线差异较大,在结构自重、二期恒载等恒载工况下会产生较大的扭矩。此外,受温度、汽车偏载等其他荷载作用效应叠加,主梁支座非常容易脱空,需要对支座进行防脱空验算及设计。本桥采用连续钢箱梁主梁,边中跨比较小,且一期恒载较小,因此相对于混凝土桥梁而言,支座更容易脱空,设计采用“压重”措施防止支座脱空,压重材料选用铁砂混凝土,容重为35 kN/m3。“压重”区域结合结构计算结果合理设置,为防止钢箱梁截面内力发生突变,同时避免钢箱梁底板产生过大的第二体系应力,压重区域不宜过长。部分墩顶处钢箱梁横向可采用单侧压重,保证最不利荷载组合工况下各支座反力值富余≥100 kN。

5.2 横隔板设计

钢箱梁横隔板对正交异型桥面板起支撑作用。横隔板可以限制薄壁钢梁发生畸变和横向弯曲变形,防止梁体局部失稳[1]。横隔板作为第二体系计算中带纵肋桥面板的支撑,其布置方式也影响桥面板纵向应力。本桥为小半径曲线桥梁,为控制主梁应力水平并提高结构局部稳定性,设计采用实腹式横隔板,隔板间距≤2 m。隔板之间布置一组腹板竖向加劲肋,隔板及竖向加劲与顶底板正交布置。对于斜交桥墩,横隔板布置一般采用斜交(横梁与支承线配置成平行)和正交(横梁与主梁配置成直角)两种方式[4-5]。本桥综合考虑结构受力特点及施工工艺等因素合理布置墩顶附近范围横隔板,其平面布置如图12所示。

图12 墩顶横隔板布置(单位:mm)

5.3 外伸隐横梁设计

城市桥梁经常遇到由于地面空间受限无法采用常规立墩方式的情况,一般可采用的做法是将横梁外伸到可以立墩的位置。外伸横梁梁高需根据横梁计算确定,与外伸横梁的跨度、主梁与横梁的交点位置有关。一般对于主梁居中的外伸横梁,横梁高跨比可按1/10～1/15试算。

本桥G07号墩即采用了主梁横梁外伸,利用地面辅道两侧人行道空间立墩的方式。横梁跨度达32.9 m,采用2.6 m梁高,高跨比为1/12.7。外伸部分横梁宽度2.6 m,横梁采用单箱三室截面,顶底板厚度32 mm,腹板厚度24 mm。横梁跨度方向设置横向加劲隔板,隔板间距1.5～2 m,隔板上开设人孔。横梁梁高比主梁大,与主梁交叉处利用主梁腹板及局部增设加劲肋实现主梁局部加高,同时保证主梁纵向加劲连续布置。横梁立面及横断面构造如图13、图14所示。

图13 横梁立面构造(单位:mm)

图14 横梁横断面构造(单位:mm)

应特别注意的是,本桥外伸横梁由于横梁跨度大,桥墩位置处主梁有很大的竖向挠度,需要通过设置横向预拱度加以补偿,本次设计同时给出了主梁及横梁的预拱度设计值。

6 结 语

(1)相对直线桥而言,小半径曲线钢箱主梁“弯扭耦合”作用下的空间效应尤为明显。总体设计时应在保证经济性的前提下,合理选取主梁高跨比,适当加大梁高,以提高主梁截面整体抗弯及抗扭刚度。

(2)小半径曲线钢箱总体设计时应适当加密横隔板布置间距。当桥梁采用斜交布置时,应重视支点处横隔板设计。横隔板布置方式应结合结构受力特点及施工拼装难易程度合理选择。

(3)小半径曲线钢箱梁应尤其重视结构抗倾覆设计,应采用多支座体系并严格按照规范进行两个特征状态下的抗倾覆稳定性验算,并考虑一定的安全储备。若抗倾覆验算不满足要求,可采取加大支座间距、梁体压重等措施。梁体压重区域应结合结构计算结果合理设置,不宜过大。

(4)带有外伸隐横梁的曲线钢箱梁,可考虑简化边界条件,对横梁进行独立计算,但应结合结构受力特点合理建模分析,并保证一定的结构安全富余度。若横梁跨度比较大时,需同时考虑主梁及横梁预拱度设计。此外,应重视横梁与主梁交叉点的细节设计。