■姜曉彬 盧童玲 鐘振華

（1.杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310012；2.杭州天達(dá)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，杭州 310012）

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)、施工便捷、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁不論在公路行業(yè)還是市政行業(yè)都得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。但是，鋼結(jié)構(gòu)橋梁造價(jià)較高，在同等外部條件下，鋼結(jié)構(gòu)梁橋的造價(jià)是混凝土梁橋的1.5～2.0 倍，因此，僅在跨越交通繁忙的道路、航道，同時(shí)凈空又受限時(shí)，或者在異形結(jié)構(gòu)中才會(huì)考慮使用鋼結(jié)構(gòu)橋梁。另外，鋼箱梁采用正交異性橋面板是目前鋼梁最常用的構(gòu)造方式，但在箱梁腹板頂部附近瀝青混凝土橋面鋪裝時(shí)常出現(xiàn)開(kāi)裂等病害[1]，因此，鋼箱梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也受到了一定的限制。本研究結(jié)合具體工程項(xiàng)目，擬采用輕型組合橋面板優(yōu)化鋼橋面受力，通過(guò)精細(xì)化的計(jì)算分析優(yōu)化鋼箱梁的設(shè)計(jì)，并與同等長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)在高架橋標(biāo)準(zhǔn)段中的應(yīng)用進(jìn)行理論探索。

1 工程概述

滬杭甬高速公路杭州市區(qū)段北起喬司樞紐，南至紅墾樞紐，穿越杭州市江干區(qū)、錢江新城和蕭山區(qū)，全長(zhǎng)約23.6 km，其中江干區(qū)段高架橋采用一級(jí)公路（集散功能）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，雙向6 車道，標(biāo)準(zhǔn)路輻寬度27.0 m，橋梁橫斷面布置為：0.5 m（防撞護(hù)欄）+0.75 m（硬路肩）+3×3.75 m（車行道）+0.5 m（路緣帶）+1.0 m（中央分隔帶）+0.5 m（路緣帶）+3×3.75 m（車行道）+0.75 m（硬路肩）+0.5 m（防撞護(hù)欄）。

常規(guī)公路高架橋標(biāo)準(zhǔn)段多采用裝配式T 梁或小箱梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑根據(jù)墩高及地質(zhì)條件的因素確定，基本在25～40 m。對(duì)于城鎮(zhèn)化地區(qū)的高架橋，由于景觀要求及標(biāo)高限制，往往采用無(wú)需蓋梁、外形美觀的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑基本在25～35 m。本項(xiàng)目第二段高架橋起點(diǎn)至觀潮路節(jié)點(diǎn)之間的標(biāo)準(zhǔn)段橋梁均擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累與工程驗(yàn)證，已經(jīng)相當(dāng)成熟，但仍存在以下缺點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)澆筑結(jié)構(gòu)，需要大量的施工支架及模板，施工工期長(zhǎng)；（2）滿堂支架施工，對(duì)地面交通影響大，保通難度大；（3）工程質(zhì)量較預(yù)制結(jié)構(gòu)差；（4）環(huán)保問(wèn)題突出。

鑒于以上原因，結(jié)合國(guó)務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能的相關(guān)意見(jiàn)，本研究認(rèn)為，是否可以通過(guò)精細(xì)化的設(shè)計(jì)，使鋼箱梁結(jié)構(gòu)在高架橋標(biāo)準(zhǔn)段中的應(yīng)用成為可能，也為今后同類型高架橋的設(shè)計(jì)提供更多的可行性方案。

2 標(biāo)準(zhǔn)段橋型方案

30 m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁高通常為2 m，而鋼箱梁由于箱內(nèi)檢修空間的需要，其在采用U 肋縱向加勁的情況下，最小梁高為1.6 m。此處鋼箱梁梁高與現(xiàn)澆箱梁保持一致，取為2 m，而連續(xù)鋼箱梁的梁高與跨徑的比值通常在1/30～1/25，故鋼箱梁的標(biāo)準(zhǔn)跨徑取60 m。預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁方案和鋼箱梁方案的橋型布置如下：方案1：預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋跨布置為2×（3×30）m，總長(zhǎng)180 m，梁高2.0 m；下部采用柱式花瓶墩，墩高7.5 m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.6 m。方案2：鋼箱梁，橋跨布置為3×60 m，總長(zhǎng)180 m，梁高2.0 m；下部采用柱式花瓶墩，墩高7.5 m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.6 m。

由于預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁的設(shè)計(jì)已非常成熟，故本研究不再具體分析，直接引用依托工程的設(shè)計(jì)成果。而鋼箱梁作為標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)的案例極少，且需對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，列出鋼箱梁計(jì)算分析的過(guò)程，再對(duì)兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量比較。

3 鋼箱梁構(gòu)造及受力驗(yàn)算

3.1 鋼箱梁構(gòu)造

鋼箱梁橋跨布置為3×60 m，橋面寬度為27.0 m，按雙向6 車道設(shè)計(jì)，采用5 箱單室結(jié)構(gòu)。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段梁高為2.0 m，端橫梁和中橫梁處局部加高至2.5 m，并設(shè)置4 m 的漸變段。鋼箱梁頂板厚度14 mm，端橫梁處加厚至20 mm，中橫梁處加厚至25 mm；底板厚度12～18 mm，端橫梁處加厚至20 mm，中橫梁處加厚至25 mm；腹板厚度14 mm；實(shí)腹式橫隔板縱向間距為5 m，中間設(shè)置3 道腹板橫肋。

鋼箱梁橋面鋪裝采用6 cm UHPC 高強(qiáng)混凝土+4 cm SMA-13 瀝青砼，橋面鋪裝層總厚度為10 cm。鋼箱梁左、中、右均設(shè)置鋼筋砼防撞護(hù)欄，不設(shè)置人行道。

3.2 頂板第二體系應(yīng)力計(jì)算

常規(guī)設(shè)計(jì)鋼箱梁的橫隔板或橫肋間距為3.0 m，即U 肋的支撐間距為3.0 m，此處考慮采用軋制大U肋，且考慮橋面UHPC 參與受力，即橋面受力體系采用帶大U 肋的輕型組合橋面板（圖1），大U 肋開(kāi)口寬500 mm，中心間距為1 000 mm，壁厚為10 mm，支撐間距取5.0 m[2]。采用橋梁博士4.0 程序建立頂板U 肋的有限元模型。

圖1 頂板U 肋設(shè)計(jì)

3.2.1 U 肋有效寬度計(jì)算

橫隔板間距取5 m，可將頂板U 肋看作跨度L=5 m 的連續(xù)梁，頂板U 肋的橫向間距4b=1 000 mm。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）第5.1.8 條[3]。（1）連續(xù)梁跨中位置：等效跨徑l=0.6L=0.6×5000=3000 mm；k=b/l=0.083，則有效寬度4be=4（1.06-3.2k+4.5k2）b=826 mm。（2）連續(xù)梁支點(diǎn)位置：等效跨徑l=0.2×2L=0.2×2×5000=2000 mm；k=b/l=0.125，則有效寬度4be=4（1.06-3.2k+4.5k2）b=730 mm。

3.2.2 設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載包括鋼結(jié)構(gòu)自重、二期恒載重及活載，其中結(jié)構(gòu)自重有限元模型會(huì)自動(dòng)計(jì)入；二期恒載取1×0.04×25=1.00 kN/m；活載采用車輛荷載，公路一級(jí)車輛荷載總重55 t。

（1）橫向分布系數(shù)γ 計(jì)算

橫向分布系數(shù)γ=0.5×a/（s+2×0.1），a/（s+2×0.1）不大于1.0。

其中：0.5 為取單輪荷載，為橫向軸重的一半；a為縱肋間距，U 肋取1.0 m；s 為車輪著地寬度，前輪為0.3 m，中后輪為0.6 m；0.1 為橋面鋪裝厚度，輪壓荷載按45 度向下擴(kuò)散。

根據(jù)上式計(jì)算，前輪橫向分布系數(shù)為0.5 中后輪橫向分布系數(shù)為0.5。

（2）頂板U 肋應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)有限元程序計(jì)算，U 肋上緣最大壓應(yīng)力為19 MPa，最大拉應(yīng)力為14 MPa；U 肋下緣最大壓應(yīng)力為71 MPa，最大拉應(yīng)力為92 MPa。

3.3 鋼箱梁整體受力計(jì)算

采用橋梁博士4.0 梁?jiǎn)卧⒘焊衲Ｐ?，全橋單元?shù)共計(jì)1 747 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)1 500 個(gè)。在鋼梁頂板設(shè)置M15×50 剪力釘，使UHPC 參與受力，即橋梁受力體系為輕型組合梁結(jié)構(gòu)。

3.3.1 鋼梁正應(yīng)力驗(yàn)算

由圖2 可知，根據(jù)梁格模型計(jì)算結(jié)果，基本組合下鋼梁上緣最大拉應(yīng)力為123 MPa，最大壓應(yīng)力為114 MPa，鋼梁下緣最大拉應(yīng)力為220 MPa，最大壓應(yīng)力為236 MPa。疊加第二體系應(yīng)力，鋼梁上緣最大拉應(yīng)力為215 MPa，最大壓應(yīng)力為185 MPa，均小于正應(yīng)力限值（270 MPa），滿足規(guī)范要求。

圖2 基本組合鋼梁上下緣正應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3.2 鋼梁剪應(yīng)力驗(yàn)算

由圖3 可知，根據(jù)梁格模型計(jì)算結(jié)果，基本組合下鋼梁腹板最大剪應(yīng)力為71 MPa，小于剪應(yīng)力限值（160 MPa），滿足規(guī)范要求。

圖3 基本組合鋼梁腹板剪應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3.3 鋼梁折算應(yīng)力驗(yàn)算

由圖4 可知，根據(jù)梁格模型計(jì)算結(jié)果，基本組合下鋼梁最大折算應(yīng)力為236 MPa，小于270 MPa，滿足規(guī)范要求。各主梁最大豎向位移為60 mm，小于59400/500=118.8 mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 基本組合鋼梁折算應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3.4 連接件計(jì)算

根據(jù) 《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第9.33 條和9.34 條[4]，對(duì)鋼梁頂板剪力連接件的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。由圖5 可知，基本組合下剪力連接件的最大剪力為445 kN，小于其抗剪承載能力3 378 kN，滿足規(guī)范要求。其他驗(yàn)算結(jié)果不在此處一一列出。由有限元建模計(jì)算可知，鋼梁各項(xiàng)受力計(jì)算均滿足規(guī)范要求。

圖5 基本組合連接件抗剪驗(yàn)算

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)鋼箱梁建模計(jì)算，確定了組成鋼箱梁各個(gè)板件的厚度，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)用鋼量見(jiàn)表1。

表1 鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)

可見(jiàn)，考慮橋面UHPC 參與共同受力組成輕型組合梁后，鋼箱梁的用鋼量指標(biāo)明顯下降，經(jīng)濟(jì)性有了顯著的提升。同時(shí)，根據(jù)鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁的計(jì)算反力值，60 m 跨徑的鋼箱梁傳遞給下部橋墩的荷載比30 m 跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁的還要低約25%，同時(shí)考慮汽車制動(dòng)力、溫度力等對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可將兩者的下部結(jié)構(gòu)尺寸取為一致，這樣180 m 橋梁段內(nèi)鋼箱梁下部結(jié)構(gòu)的工程量?jī)H為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁下部結(jié)構(gòu)工程量的一半，鋼箱梁的經(jīng)濟(jì)性又進(jìn)一步地得到提升。

現(xiàn)仍以180 m 的橋梁段作為比較段，分上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)（含基礎(chǔ)）及附屬結(jié)構(gòu)對(duì)鋼箱梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁橋進(jìn)行定量的經(jīng)濟(jì)性分析，見(jiàn)表2。

表2 鋼箱梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁橋經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)輕型組合橋面板鋼箱梁的受力計(jì)算以及其與預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁的經(jīng)濟(jì)性比較，初步對(duì)鋼箱梁在高架橋標(biāo)準(zhǔn)段中的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析，主要結(jié)論如下：（1）鋼箱梁的造價(jià)仍高于混凝土現(xiàn)澆梁，但已非常接近，后續(xù)可對(duì)鋼箱梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化；（2）對(duì)于地質(zhì)條件較差，下部結(jié)構(gòu)工程量占比較大的工程，鋼箱梁的優(yōu)勢(shì)可進(jìn)一步顯現(xiàn)；（3）鋼箱梁后續(xù)維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高，但鋼箱梁的殘余價(jià)值高，達(dá)到使用壽命后，鋼梁幾乎能被全部回收利用，具有一定的戰(zhàn)略價(jià)值；（4）鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段采用60 m 的跨徑布置，橋下視線通透，整體景觀效果良好，橋下地面道路的交通組織也更為便捷。