变截面连续钢箱梁桥设计

张 炼

（四川日兴工程设计有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

连续梁桥是上部结构由连续跨过三个以上支座的梁作为主要承重结构的桥梁[6]。这种桥在恒载作用下，由于支点负弯矩的卸载作用，跨中最大正弯矩显著减小，因此用在较大跨径时将较简支梁桥经济。一般采用预应力混凝土或钢结构等建成，其上部结构采用钢箱梁的称为连续钢箱梁桥，具有以下受力特点：

（1）通过边跨与中跨的跨径配置使梁体在受荷情况下正负弯矩趋于平衡。

（2）上部结构采用钢箱梁，自重较混凝土梁小，承载力与自重比值大。

（3）改善了结构在水平荷载（例如地震荷载）作用下的受力性能。

1 设计主要过程

（1）考虑地形、地质及道路总体要求，结合工程区域近远期规划等要素，合理确定连续梁的平面和跨径布置。

（2）根据桥梁周边场地、交通运输条件等合理拟定桥梁的施工工艺。

（3）根据该布置情况及相应受荷计算要求确定跨中及支点截面梁高，及梁底曲线，初步确定梁体构造。

（4）建立桥梁模型，对桥梁结构进行计算，根据计算结果调整梁截面尺寸、钢板厚度、连接方式、加劲肋等的布置位置、大小及方式，进一步确定梁体构造。

（5）对全桥结构进行核算，并满足各项构造措施要求。

2 桥梁工程概况

本工程位于南充市顺庆区中北部，为一座城市跨线桥，桥梁部分宽度17m，双向四车道，设计时速60km/h。

2.1 主要技术标准

1）道路等级：城市主干道；

2）设计车速：60km/h

3）桥宽：总宽17m；

4）车道：双向四车道；

5）桥下道路净空：≥5 米

6）最大纵坡：不大于5%；

7）桥梁横坡：双向1.5%；

8）设计荷载：城-A 级；

9）结构安全等级：一级；

10）设计基准期：100 年；

11）设计使用年限：100 年；

12）抗震设防标准：抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g

2.2 主要材料

主桥钢箱梁主体结构钢材采用Q345qC，材料性能须符合《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2015）和《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2018）的要求。

3 桥梁结构设计

3.1 跨度的选择

桥梁孔跨布置，受桥址地形、地质与水文条件、通航（或桥下通行）要求影响，同时应结合结构力学要求，使用功能要求，美学要求等，进行综合比较分析选出最优方案。

设计中常采用三跨连续梁布置，边跨长度一般为中跨长度的0.5～0.8 倍，合理的配跨有助于结构内力分布的稳定性、可调和性。

本实例设计跨度，主要根据桥梁的功能定位及相应的道路总体要求确定，其跨度组合为：43m+60m+43m，基本满足以上原理要求。

3.2 梁体构造设计

3.2.1 钢箱梁梁高

参考连续梁结构受力特点和已建成桥梁技术资料，变截面连续钢箱梁桥的中支点处梁高与中跨跨径之比为1/15～1/25，而中跨跨中及边跨端点梁高与主跨跨径之比为1/30～1/40,上述比值根据边跨与中跨的跨径配比有适当变化。梁底梁高变化曲线一般采用二次抛物线。

1）支点梁高：H1=(1/15～1/25)L

本桥 支点截面梁高H1=3.1m

2）跨中梁高：H2=(1/30～1/40)L

本桥跨中截面梁高H2=1.8m

3.2.2 截面尺寸

钢箱梁的各板件厚度根据已建成桥梁及构件所在部位的受力需求确定，拟定跨中截面尺寸如图3-1 所示。

图3-1 1/2跨中截面构造（单位:mm）

3.2.3 钢箱梁分段及分片

钢箱梁按其跨径和宽度进行横向分片和纵向分段。根据桥面宽度的不同，横向分为不同的片数；根据桥梁跨径的不同，纵向分为吊装节段；横向节段划分原则：根据箱室数目划分；纵向节段划分原则：避开剪力较大位置，以运输、吊装能力控制节段长度。

3.2.4 面板与加劲肋

根据桥宽，钢箱梁采用不同的截面形式。标准桥宽17m 主线桥采用双箱四室截面，箱室间以横联连接。钢箱梁顶板加劲肋采用闭口式加劲肋进行纵向加劲，采用U 肋。钢箱梁底板、腹板采用板式加劲肋进行纵向加劲，布置在梁高0.2h0左右[4]。

3.2.5 横隔板和横联板

钢箱梁横向构件为横隔板及横梁板，间距1.5～3m 设置。支承位置附近的横隔板及横梁板，因其受横剪较大，采用板厚及加劲与其余节段横隔板不同，其余部位横隔板及横梁板为一般构造。

3.2.6 节段连接

本桥钢箱梁节段采用全焊方式连接。钢箱梁节段吊装就位后，拧紧临时匹配件螺栓，再焊接横向环焊缝和U 肋、I 肋嵌补段。

3.2.7 梁体预拱度的设置

钢桥设置的预拱度宜为结构的自重标准值+1/2 车道荷载频遇值(频遇值系数1.0)产生的挠度[4]。

3.3 钢结构耐久性设计

钢梁防腐涂装主要根据桥梁所在区域的环境分类，参照采用《城镇桥梁钢结构防腐蚀涂装工程技术规程》（CJJ/T 235-2015）要求的中的涂装体进行适当调整。桥梁钢结构表面涂装按长效型设计，使用年限均≥20 年[2]。

4 变截面连续钢箱梁结构计算

4.1 主要材料力学指标及计算参数[5]

Q345qC（主梁钢板）

弹性模量:E=2.06×105MPa

泊松比：0.3

容重:γ=77kN/m3

线膨胀系数:k=0.000012

fd=270MPa(厚度16～40mm)，fd=275MPa(厚度≤16mm)

抗剪强度设计值:

fvd=155 MPa(厚度16～40mm)fvd=160MPa(厚度≤16mm)

4.2 结构计算模型及分析

(1)结构计算模型

Midas Civil 2018(Ver 8.7.5 R1)有限元分析软件进行结构分析。整体结构分析模型采用空间杆系模型进行计算，建立主梁板单元模型进行计算。

(2)计算荷载

1)永久作用

一期恒载:结构自重,主桥钢板容重取76.98kN/m3。

二期恒载：按桥梁实际布置二期恒载取值，铺装荷载5kN/m2，护栏20kN/m2。

2)可变荷载

汽车荷载等级：城-A 级，纵向计算采用车道荷载加载。按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.2 条，计算的结构基频f=2.4Hz，本桥冲击系数μ=0.14。

3)整体温度作用

系统初始温度按当地平均气温14°设置，最高温度39°，最低温度-6°。

4)梯度温度作用

桥面铺装为沥青混凝土面层，竖向日照正温差按照《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60-2015)取值。

6)钢桥面板的应力分析有效宽度

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG/T D64-2015）的规定,钢桥面板的应力分析有效宽度按下式计算：

be=0.965b[4](0.02≤b/l=1.85/60=0.031≤0.3)

4.3 结构计算结果及主要验算

(1)挠度计算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG/T D64-2015）第4.2.3 条的相关规定，简支或连续板梁桥主梁在主控可变荷载作用下的最大挠度不应超过计算跨径的1/500。汽车荷载（不计冲击力，频遇系数1.0）作用下挠度如图4-1所示。主梁在汽车荷载作用下最大竖向挠度为89.3mm＜60000/500=120mm，满足要求。

图4-1 主梁汽车荷载作用挠度(mm)

(2)预拱度设置

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG/T D64-2015）第4.2.1 条的相关规定结构预拱度按结构自重加1/2 控制可变荷载作用频遇值（频遇值系数1.0）采用。主梁在该荷载作用下最大竖向挠度为73.4mm，主桥预拱度设置为76.8mm，满足要求。

(3)箱梁应力验算

根据计算结果可知主梁钢板应力布局和大小，钢梁应力验算如表4-1 所示。钢梁各构件应力满足要求。

表4-1 钢梁应力验算表（MPa）

(4)箱梁疲劳验算

疲劳值计算容许值按《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第5.5 条疲劳模型Ⅲ进行桥面板疲劳验算，选取第二跨跨中截面进行验算。结构构件的等效常值应力幅均在构件疲劳应力强度范围内。

(5)正交异性板挠跨比验算

根据根据《公路钢结构桥梁设计规范》第8.2.3 条，正交异性桥面板顶板的挠跨比不应大于1/700。主梁在汽车荷载作用下跨中桥面板局部挠度图见图4-2 所示。

图4-2 汽车荷载作用桥面板局部挠度图（mm）

D1=39.67-39.62=0.05mm，L1=300mm，D1/L1=1/6000＜1/700，满足要求。

D2=39.67-36.57=0.10mm，L2=600mm，D2/L2=1/6000＜1/700，满足要求。

4.4 钢箱梁结构分析验算结论

由以上各计算可知，桥梁上部变截面连续钢箱梁设计满满足受力及使用要求，符合规范相关规定。