熊 誠,危玉蓉,梁慶學(xué)

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市道路交通基礎(chǔ)建設(shè)不斷發(fā)展。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的出行需求,緩解交通擁堵,許多城市先后建設(shè)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、地面輔道交通等諸多因素影響,其總體布線更加復(fù)雜,立交層數(shù)較多,因此立交橋梁設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。所建橋梁常位于變寬曲線段,且橋梁布墩空間受限明顯,橋梁選型需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能、跨越能力、美觀性,并盡量減少施工對(duì)交通的影響。含隱橫梁的曲線鋼箱梁因具有跨越能力強(qiáng)、建筑高度小、布墩靈活等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于城市立交。

1 工程概況

依托工程為宜昌市道路快速化改造工程互通立交節(jié)點(diǎn),主線高架橋采用S形曲線布置,匝道線型均采用小半徑曲線且位于立交頂層。主線及匝道橋大面積采用鋼箱梁。

G匝道第二聯(lián)采用小半徑曲線連續(xù)鋼箱梁,橋跨布置為(30.158+44+44.719+38.368)m,梁高1.9 m,曲線半徑70 m,橋?qū)?0 m,橋梁平面布置如圖1所示。G4、G5、G8號(hào)墩采用墻式花瓶墩,支座間距2.6 m;G6號(hào)墩采用雙柱墩,支座間距4 m;受地面輔道空間制約,G7號(hào)墩設(shè)置于地面輔道兩側(cè)人行道,主梁采用外伸隱橫梁,跨度達(dá)32.9 m。主梁施工方法為工廠節(jié)段預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)臨時(shí)胎架,吊裝拼裝。

圖1 橋位平面布置

本實(shí)例橋梁具有以下特點(diǎn):(1)主梁位于小半徑曲線段,“彎扭耦合”效應(yīng)明顯;(2)墩頂均采用雙支座體系,但支座布置受限明顯,部分墩頂支座支撐線與主梁斜交,且支座間距較小,需重視橋梁抗傾覆設(shè)計(jì);(3)為減小結(jié)構(gòu)建筑高度,采用了大跨度外挑隱橫梁結(jié)構(gòu),主梁構(gòu)造復(fù)雜。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

主梁標(biāo)準(zhǔn)段采用兩側(cè)帶挑臂的單箱雙室截面。鋼箱梁頂面寬9.8 m,挑臂長(zhǎng)1.35 m,頂板標(biāo)準(zhǔn)段厚度16 mm,在中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)范圍局部加厚至24 mm。頂板下設(shè)T型縱肋,T肋橫向間距 300 mm,高度200 mm,腹板厚度8 mm,下翼板厚度14 mm。底板標(biāo)準(zhǔn)段厚度14 mm,在中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)范圍局部加厚至24 mm。底板上方設(shè)I型縱肋,I肋橫向間距300 mm,高度160 mm,I肋腹板厚度8 mm。腹板由兩道邊腹板和一道中腹板組成,邊腹板傾斜布置,中腹板鉛垂布置,標(biāo)準(zhǔn)段腹板厚度14 mm,在中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)范圍局部加厚至24 mm。為確保腹板局部穩(wěn)定性,腹板受壓區(qū)設(shè)置縱向水平加勁肋,并沿縱橋向設(shè)置豎向加勁肋,豎向加勁肋標(biāo)準(zhǔn)間距2.0 m。鋼箱梁內(nèi)部設(shè)普通橫隔板和支座橫隔板,普通橫隔板采用開孔的板式結(jié)構(gòu),隔板厚度12 mm,縱橋向標(biāo)準(zhǔn)間距2 m,頂?shù)装蹇v肋在隔板位置開孔穿過;支座橫隔板加厚至24 mm,并根據(jù)受力需要設(shè)置支撐加勁板。挑臂縱橋向標(biāo)準(zhǔn)間距1 m,與橫隔板、橫肋板嚴(yán)格對(duì)齊,挑臂腹板厚度12 mm,翼板厚度14 mm,挑臂翼板外貼4 mm鋼板封閉。鋼箱梁采用全焊接結(jié)構(gòu),材質(zhì)為Q345qD。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 鋼箱梁主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:mm)

3 結(jié)構(gòu)模型建立

3.1 計(jì)算參數(shù)

(1)恒載:鋼材重度γ=78.5 kN/m3。橋面凈寬9 m,鋪裝采用10 cm瀝青混凝土和8 cm鋼纖維混凝土,荷載集度為39.6 kN/m;護(hù)欄采用鋼筋混凝土護(hù)欄,荷載集度為10.5 kN/m。

(2)汽車荷載:城-A級(jí),按實(shí)際車道數(shù)進(jìn)行中載及偏載布置。

(3)溫度:按整體升溫25 ℃、整體降溫-30 ℃考慮;基于該橋的鋪裝形式,主梁溫度梯度按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.12條的溫度梯度曲線確定,正效應(yīng)(0,5.5,14),負(fù)效應(yīng)(0,-2.75,-7)。

(4)支座沉降:不均勻沉降取10 mm。

3.2 計(jì)算方法

鋼箱梁采用正交異性板橋面結(jié)構(gòu),其力流傳遞路徑為橋面板—縱肋—橫隔板—縱腹板—支座橫梁—支座,一般分為3個(gè)體系進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。

第一體系為“主梁體系”,由頂?shù)装迮c縱肋組成主梁截面,構(gòu)成主要承重構(gòu)件,該體系可采用初等梁彎曲理論進(jìn)行計(jì)算分析。第二體系為“橋面結(jié)構(gòu)體系”,由橋面板與縱橫肋組成。橋面板及縱肋組合可視為彈性支撐于橫肋上的連續(xù)梁。第三體系為“面板體系”,僅指橋面板,可將面板視為支撐于縱橫肋上的連續(xù)板,橋面板應(yīng)力一般呈薄膜應(yīng)力狀態(tài),效應(yīng)較小。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)通常僅選取第一、二體系應(yīng)力進(jìn)行疊加分析[1]。

3.3 模型建立

(1)第一體系計(jì)算模型建立。

采用midas Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,根據(jù)實(shí)際支座布置情況確定模型邊界條件。主梁采用常規(guī)線單元進(jìn)行縱向建模,隔板加勁及壓重荷載通過節(jié)點(diǎn)及單元荷載施加。第一體系有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 第一體系有限元計(jì)算模型

(2)第二體系計(jì)算模型建立。

第二體系中,縱肋與橋面板支承于橫隔板上,將自重、 二期恒載及車輪荷載傳遞給橫隔板, 橫隔板間距即縱肋的跨度。可采用比較簡(jiǎn)便的計(jì)算模式,以“有效寬度”將橋面板進(jìn)行縱橫向分割,每個(gè)橋面板縱肋附帶一塊一定橫向?qū)挾鹊捻敯?。有效寬度可采用《現(xiàn)代鋼橋》相關(guān)方法計(jì)算[2]。本橋鋼箱梁頂板縱肋采用T肋,為開口肋,主梁等效截面如圖4所示,經(jīng)計(jì)算,c值為0.11 m。

b—1/2主梁腹板間距;c—主梁翼緣有效寬度。圖4 頂板縱肋等效截面

根據(jù)車輪寬度并考慮沖擊系數(shù)及鋪裝厚度范圍的應(yīng)力擴(kuò)散,得到單根縱肋輪載分配系數(shù)為0.223。根據(jù)二期恒載荷載集度及橋面寬度,得到單根縱肋二期恒載分配荷載集度為1.8 kN·m。采用midas梁?jiǎn)卧?取5個(gè)隔板間距長(zhǎng)度的縱向加勁進(jìn)行橋面第二體系計(jì)算。

(3)橫梁計(jì)算模型建立。

建模步驟如下:①進(jìn)行橫梁頂?shù)装逵行挾扔?jì)算,然后等效為工字鋼截面;②根據(jù)主梁縱向體系計(jì)算恒載支反力,換算為腹板位置施加的荷載值;③計(jì)算單車道荷載,采用midas橫向加載功能,橫向移動(dòng)布載并考慮多車道折減效應(yīng);④按實(shí)際支座建立邊界。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

4.1 主梁第一體系應(yīng)力計(jì)算

第一體系主梁頂?shù)装寮案拱鍛?yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 基本組合頂板第一體系正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖6 基本組合底板第一體系正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖7 基本組合腹板剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

4.2 主梁第二體系應(yīng)力計(jì)算

T肋上緣(第二體系橋面板)計(jì)算應(yīng)力如圖8所示。

圖8 T肋上緣(橋面板處)應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

由計(jì)算結(jié)果可知,T肋上緣最大壓應(yīng)力為-64.6 MPa,最大拉應(yīng)力為36.0 MPa。

4.3 綜合應(yīng)力疊加計(jì)算

主梁綜合應(yīng)力疊加計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 主梁綜合應(yīng)力疊加計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

4.4 結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

主梁豎向撓度采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。汽車車道荷載不考慮沖擊系數(shù),采用頻遇值,頻遇值系數(shù)為1.0。經(jīng)計(jì)算,主梁各跨豎向撓度值分別為16、33、41、19 mm,均小于L/500,主梁結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

4.5 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算

為提高結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性,各墩均采用雙支座體系,盡可能加大支座間距,支座布置如圖9所示。結(jié)合初步計(jì)算結(jié)果,合理設(shè)置壓重區(qū)域。

圖9 橋梁支座平面布置(單位:cm)

按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)第4.2.2條規(guī)定驗(yàn)算橫橋向抗傾覆性能。

(1)在作用基本組合下,單向受壓支座始終保持受壓狀態(tài)[3]。

(2)當(dāng)整聯(lián)只采用單向受壓支座支承時(shí),符合公式(1)要求[3]。

(1)

式中:ki為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);kqf為橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù);∑Sbk,i為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用基本組合(分項(xiàng)系數(shù)均為1.0)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值;∑Ssk,i為使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用基本組合(分項(xiàng)系數(shù)均為1.0)的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

驗(yàn)算結(jié)果如表2、表3所示。

表3 抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算

4.6 橫梁驗(yàn)算

G07號(hào)墩橫梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果如圖10、圖11所示?？芍狦07號(hào)墩橫梁的最大正應(yīng)力與最大剪應(yīng)力分別為:σmax=102.8 MPa,τmax=19.8 MPa, 均滿足規(guī)范要求。

圖10 G07號(hào)墩外伸橫梁正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

圖11 G07號(hào)墩外伸剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 支座防脫空設(shè)計(jì)

小半徑曲線橋因主梁內(nèi)外側(cè)弧線差異較大,在結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等恒載工況下會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩。此外,受溫度、汽車偏載等其他荷載作用效應(yīng)疊加,主梁支座非常容易脫空,需要對(duì)支座進(jìn)行防脫空驗(yàn)算及設(shè)計(jì)。本橋采用連續(xù)鋼箱梁主梁,邊中跨比較小,且一期恒載較小,因此相對(duì)于混凝土橋梁而言,支座更容易脫空,設(shè)計(jì)采用“壓重”措施防止支座脫空,壓重材料選用鐵砂混凝土,容重為35 kN/m3?！皦褐亍眳^(qū)域結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果合理設(shè)置,為防止鋼箱梁截面內(nèi)力發(fā)生突變,同時(shí)避免鋼箱梁底板產(chǎn)生過大的第二體系應(yīng)力,壓重區(qū)域不宜過長(zhǎng)。部分墩頂處鋼箱梁橫向可采用單側(cè)壓重,保證最不利荷載組合工況下各支座反力值富余≥100 kN。

5.2 橫隔板設(shè)計(jì)

鋼箱梁橫隔板對(duì)正交異型橋面板起支撐作用。橫隔板可以限制薄壁鋼梁發(fā)生畸變和橫向彎曲變形,防止梁體局部失穩(wěn)[1]。橫隔板作為第二體系計(jì)算中帶縱肋橋面板的支撐,其布置方式也影響橋面板縱向應(yīng)力。本橋?yàn)樾“霃角€橋梁,為控制主梁應(yīng)力水平并提高結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式橫隔板,隔板間距≤2 m。隔板之間布置一組腹板豎向加勁肋,隔板及豎向加勁與頂?shù)装逭徊贾谩?duì)于斜交橋墩,橫隔板布置一般采用斜交(橫梁與支承線配置成平行)和正交(橫梁與主梁配置成直角)兩種方式[4-5]。本橋綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及施工工藝等因素合理布置墩頂附近范圍橫隔板,其平面布置如圖12所示。

圖12 墩頂橫隔板布置(單位:mm)

5.3 外伸隱橫梁設(shè)計(jì)

城市橋梁經(jīng)常遇到由于地面空間受限無法采用常規(guī)立墩方式的情況,一般可采用的做法是將橫梁外伸到可以立墩的位置。外伸橫梁梁高需根據(jù)橫梁計(jì)算確定,與外伸橫梁的跨度、主梁與橫梁的交點(diǎn)位置有關(guān)。一般對(duì)于主梁居中的外伸橫梁,橫梁高跨比可按1/10～1/15試算。

本橋G07號(hào)墩即采用了主梁橫梁外伸,利用地面輔道兩側(cè)人行道空間立墩的方式。橫梁跨度達(dá)32.9 m,采用2.6 m梁高,高跨比為1/12.7。外伸部分橫梁寬度2.6 m,橫梁采用單箱三室截面,頂?shù)装搴穸?2 mm,腹板厚度24 mm。橫梁跨度方向設(shè)置橫向加勁隔板,隔板間距1.5～2 m,隔板上開設(shè)人孔。橫梁梁高比主梁大,與主梁交叉處利用主梁腹板及局部增設(shè)加勁肋實(shí)現(xiàn)主梁局部加高,同時(shí)保證主梁縱向加勁連續(xù)布置。橫梁立面及橫斷面構(gòu)造如圖13、圖14所示。

圖13 橫梁立面構(gòu)造(單位:mm)

圖14 橫梁橫斷面構(gòu)造(單位:mm)

應(yīng)特別注意的是,本橋外伸橫梁由于橫梁跨度大,橋墩位置處主梁有很大的豎向撓度,需要通過設(shè)置橫向預(yù)拱度加以補(bǔ)償,本次設(shè)計(jì)同時(shí)給出了主梁及橫梁的預(yù)拱度設(shè)計(jì)值。

6 結(jié) 語

(1)相對(duì)直線橋而言,小半徑曲線鋼箱主梁“彎扭耦合”作用下的空間效應(yīng)尤為明顯?？傮w設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下,合理選取主梁高跨比,適當(dāng)加大梁高,以提高主梁截面整體抗彎及抗扭剛度。

(2)小半徑曲線鋼箱總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密橫隔板布置間距。當(dāng)橋梁采用斜交布置時(shí),應(yīng)重視支點(diǎn)處橫隔板設(shè)計(jì)。橫隔板布置方式應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及施工拼裝難易程度合理選擇。

(3)小半徑曲線鋼箱梁應(yīng)尤其重視結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì),應(yīng)采用多支座體系并嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行兩個(gè)特征狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算,并考慮一定的安全儲(chǔ)備。若抗傾覆驗(yàn)算不滿足要求,可采取加大支座間距、梁體壓重等措施。梁體壓重區(qū)域應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果合理設(shè)置,不宜過大。

(4)帶有外伸隱橫梁的曲線鋼箱梁,可考慮簡(jiǎn)化邊界條件,對(duì)橫梁進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算,但應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)合理建模分析,并保證一定的結(jié)構(gòu)安全富余度。若橫梁跨度比較大時(shí),需同時(shí)考慮主梁及橫梁預(yù)拱度設(shè)計(jì)。此外,應(yīng)重視橫梁與主梁交叉點(diǎn)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。