顶推连续钢箱梁匝道桥设计研究.docx

? ? 顶推连续钢箱梁匝道桥设计研究 ? ? 祝欢 （南京市公共工程建设中心，江苏南京210019） 0 引言 钢箱梁在满足交通功能及耐久性需求的同时，具有结构自重轻、弹性模量大、抗拉强度高、材料重复利用率高、工厂化预制安装快捷、质量易于保证等优点，被广泛应用于市政及公路等工程项目中。在周边环境、地貌复杂的市政工程建设过程中，受现场施工场地限制，小半径曲线匝道桥布设要求较高，为最大化节省用地空间，且尽量减少施工期间对周边环境的干扰，并综合考虑施工难易度、工程造价等，往往也采用钢箱梁结构。钢箱梁在材料补给、施工简单、养护方便上具有明显优势，但钢箱梁结构自身正交各项异性桥面板铺装、疲劳破坏等相较于钢筋混凝土桥梁面板而言，具有耐久性略差的缺点，且钢箱梁钢构件纵、横向交错处需设置开孔，属于高次超静定结构，在设计过程中应通过合理的构造设计，注意构造细节并加以改善，控制好梁高、板厚、横隔板间距等，满足结构安全、抗疲劳、耐久性要求。 1 工程概况 南京某项目位于南京市江北新区。随着江北新区的发展，南京主城区与江北核心区之间过江通道面临的交通压力越来越大。近年来，南京市逐步加大道路基础设施的建设，在全市路网范围建成了一大批快速交通道路，由于交通压力依旧不减，城市交通仍存在一系列问题，如快速路网局部尚未完善、过江通道压力日渐增大、过江通道位置整体不均衡等。该项目的建设可实现南京市江北新区跨越式发展的目标，满足建设宜居且可持续的城市发展需要。 该项目D匝道大桥上跨现状河道及运营铁路，受场地条件限制需采用对现状控制因素影响最小的施工方案，综合上述因素，第四联采用跨径27m+28m连续顶推钢箱梁，箱梁顶板由路线中心线处向一侧倾斜形成单向2%横坡，顶板亦成2%横坡，底板设置成水平。箱梁高度1.80m，在跨中附近对顶底板进行加厚，各片腹板均铅垂布置。箱梁顶板宽9.2m，底板宽5.05m，钢箱梁一般横断面详见图1。钢箱梁边支点附近的顶板厚度采用16mm，底板厚度采用16mm，腹板厚度采用16mm；中支点附近的顶板厚度采用18mm，底板厚度采用18mm，腹板厚度采用20mm；跨中顶板厚度采用14mm，底板厚度采用14mm，腹板厚度采用14mm。钢箱梁横隔板采用实腹式、框架式两种形式，每隔3m交替布置。钢箱梁纵向加劲肋采用U肋、板肋两种形式，箱室内顶、底板纵肋均采用U肋，箱室内腹板纵肋采用板肋，悬臂纵肋采用U肋、板肋[1]。 图1 钢箱梁标准断面（单位：mm） 2 主要技术标准 主要技术标准如表1所示。 表1 主要技术标准表 3 结构设计 3.1 强度分析 钢箱梁计算需考虑第一体系和第二体系叠加效应。按照杆系单元进行钢箱梁整体计算，共计梁单元53个，节点56个，计算采用的有限元模型见图2。 图2 钢箱梁杆系模型图 图4 第一体系计算箱梁底板应力包络图（单位：MPa） 钢箱梁第一体系：钢箱梁桥面板与纵向加劲肋组成的结构单元，参与主梁共同受力，为主梁体系。上部荷载通过主梁体系传递给支座横梁，可采用一般梁力学分析方法，第一体系可采用初等梁弯曲理论进行计算。钢箱梁顶底板及腹板的第一体系折算应力详见图3-图5。钢箱梁顶板最大压应力176.4MPa，底板最大压应力217.3MPa，钢箱梁腹板最大剪应力为96.3MPa，位于支座位置。 图3 第一体系计算箱梁顶板应力包络图（单位：MPa） 图5 腹板剪应力包络图（单位：MPa） 钢箱梁第二体系：钢箱梁桥面板直接承受车轮荷载，通过纵横向加劲肋传递给横隔板，该体系由横肋、纵肋和桥面板组成，更加接近钢箱梁实际受力状态，可按正交异性板理论计算。第二体系采用单根纵肋简化计算。将面板及其纵肋在车辆荷载作用时按3m跨度（横隔板间距）进行内力分析，计算模型见图6。 图6 第二体系计算模型 第二体系应力在车辆荷载（含冲击系数0.4）作用下最大压应力为27.9MPa。第一、二体系应力组合为1.1×（176.4+27.9×1.8）≈249.3MPa＜275MPa。 第三体系为面板体系，纵、横向加劲肋上的桥面板可被视为各向同性连续板。桥面板视为单面板承受加劲肋间的车轮荷载，并把承受荷载传递到纵、横向加劲肋上。由于第三体系应力是导致钢箱梁正交异性板产生疲劳的重要原因，因此进行疲劳验算时第三体系应力产生影响不可忽视。本文主要对该钢箱梁案例进行第一体系、第二体系分析计算。 3.2 挠度分析 相对于钢筋混凝土桥梁，钢箱梁整体刚度较小，箱梁主梁变形挠度需进行控制。根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015），计算竖向挠度时按结构力学方法，采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（系数为1.0），该作用下钢箱梁竖向挠度不超过计算跨径的1/500。桥梁在汽车荷载作用下的最大竖向挠度为16.72mm＜28000/500=56mm，满足规范要求。 4