非通航孔桥钢连续梁设计及经济指标分析

    马锋　王凤琳　王晓琴

    摘 要：钢结构主梁因其承载力高，自重小等特点，在我国的应用已经非常普遍，因此对钢结构主梁的技术及经济效果分析具有很大意义。从应用最广泛的全封闭钢箱和大悬臂钢箱主梁出发，通过对比国内国外现有桥梁数据，在此基础上进行调整优化，得出的结论可以作为施工及桥梁设计的参考。

    关键词：桥梁 技术指标 经济指标

    钢结构主梁在施工速度和造价方面的优势已经成为业内共识，但在此基础上如何提高其技术与经济效果还值得探讨，国内国外较多采用的两种主梁形式分别为钢箱梁全封闭钢箱和大悬臂钢箱。

    一般情况下，非通航孔桥钢结构主梁需综合考虑下部结构地震响应、梁端伸缩位移量、伸缩缝及支座选型等影响，以国内某非通航孔桥为例。联长控制在700m左右，确定标准联采用6x110m=660m，边跨支座离墩中心线0.9m，两联之间留0.8m间隙。其断面设计可采用图1，图2两种结构形式。

    主梁钢箱梁全封闭钢箱和大悬臂钢箱比较

    全封闭钢箱梁外形简洁、流畅，外露面积小，后期养护涂装外表面积小；由于封闭钢箱横向不设悬臂，桥面板全由腹板及横隔板支承，桥面刚度相对较大；由于底板宽度相对大、腹板数量多，底板的板厚相对小；但是封闭钢箱用钢量相对较大，初期建设投资较多。

    大悬臂钢箱底板宽度相对窄，底板及其加劲肋的面积较小，用钢量相对较省；外露面积相对较大，后期养护涂装外表面积较大；大悬臂上的桥面刚度相对封闭钢箱要差；底板宽度相对小，板厚相对较大。

    主梁断面优化

    优化顶板加劲肋布置，靠近腹板的加劲肋均采用U形肋；优化边腹板与顶板的夹角，改善边腹板与顶板的施焊条件；优化边腹板与顶板的焊缝形式；优化底板加劲肋形式，将底板的加劲肋由板肋改为U形肋，使加劲肋在达到相同刚度条件下节省用钢量；对顶板U形肋的高度进行了优化，优化后的U形肋高280mm。优化后桥面系的刚度满足要求。

    主梁横隔板及横肋优化

    优化中间横隔板（横肋）形式，在保证中间横隔板（横肋）间距不变的前提下，将间隔10m的实腹式横隔板改为桁架式空腹横隔板，其余中间横隔板均采用相同形式，优化后的中间横隔板既增加了刚度，又使箱室内空间更通透，改善了箱室内的维修养护条件。

    主梁分段及工地接缝点位置优化

    主梁节段划分应在板材的规格、设备的起吊能力及运输能力等条件许可的前提下，尽量划分长节段，以减少节段数，减少接头工作量。经优化，一联标准6x110m主梁共划分为47节段，比施工图设计招标图所划分的节段少59节段，节段焊缝减少了55.7%。主梁节段长6.8～15.5m，标准节段长15m。

    梁段间接头的优化。将箱梁节段工厂接缝的加劲肋接头由拼接优化成工厂焊接，使箱梁整体性更强，加劲肋刚度连续性更好，后期养护工作量更少。

    主梁大节段间工地接缝位置选择在反弯点附近，并根据主梁底板及腹板的配置情况进行综合优化，将接缝选在距离中间支点14.4m处。该处底板最薄，腹板较薄，现场焊接工作量相对较小，可有效地缩短现场连接时间。

    主梁节段间连接构造方案优化

    由于连续钢箱梁范围比较长，钢箱梁节段制造及大节段组装控制连续钢箱梁的工期，现场大节段缝的连接不控制工期，从钢箱梁的密封方便及后期养护的角度考虑，对箱梁外侧腹板工地高强度螺栓连接构造进行了优化，采用现场焊接，焊缝要求与质量控制同底板现场连接焊缝。除顶板加劲肋的现场连接采用高强度螺栓连接外，其余加劲肋均采用现场嵌补段焊接的形式连接。顶板及底板仍采用现场对接焊连接。

    推荐方案主梁结构设计

    主梁采用整体等高度钢箱梁，梁高4.5m，横截面为带挑臂的单箱双室，两侧分别悬臂5.5m。钢箱梁顶面设2.5%双向对称横坡，箱梁顶面全宽33.1m。

    主梁顶板板厚主要采用18mm，支点附近局部向外加厚至20mm，顶板用高280mm、板厚8mm的U形肋加劲，U形肋中心间距600mm，U形肋为梯形，上口宽300mm，两侧的腰采用1：5的斜率，腰与底面交角的压制半径40mm。

    主梁底板厚度根据受力进行设计，板厚在14～40mm范围内变化，中支点附近为40mm，跨中为24mm，四分之一跨附近为14mm，底板用高280mm、板厚8mm的U形肋加劲，U形肋中心间距800mm，U形肋为梯形，上口宽400mm，两侧的腰采用1：5的斜率，腰与底面交角的压制半径40mm。

    主梁共设三道纵向腹板，中间纵腹板为直腹板，为改善边腹板与顶板的夹角，两边纵腹板设计成带折角的形式，与顶板相连的上段竖直，竖直段高1.5m，下段为斜腹板。腹板厚度根据主梁受剪力的大小进行配置，厚度为14～24mm，支点为24mm，跨中为14mm。

    主梁间隔2.5m设一道横隔板，支点横隔板采用实腹隔板，其他横隔板采用桁架式。中间支点横隔板厚32mm，边支点横隔板厚20mm，支点横隔板上除设置支承和起顶加劲肋外，还根据计算设置水平和竖向加劲肋，加劲肋均用板式肋。中间横隔板由倒“T”形的肋式结构组合桁架构成，“T”形肋高800～900mm，桁架杆件由2片L125x12mm的角钢构成。支点处横断面图见下图。

    1、110m非通航孔用钢量分析

    110m非通航孔上部结构联数多，为便于分析，以6x110m单联的用钢量进行分析，将主梁各组成部分的用量以表格形式列出，并计算各部分占有的百分比。单联工程量分析如下表：

    2、110m用钢量与国内外类似结构的比较

    丹麦法罗大桥北桥全长1596m，由20跨80m长的钢箱梁组成，为四车道高速公路桥梁，桥宽22.4m，每侧带有悬臂托架支撑的人行道，每个行车方向护栏间的净距为9m。采用80m整跨节段吊装，单孔吊重600t，单孔折合桥面用钢量335kg/m2。

    中国南通市九圩港大桥长180m，采用（50+80+50）m变高度连续钢箱梁，中跨66.2m大节段吊装。单幅桥宽18.3m，布置3车道+3.5m非机动车道+1.8m的外侧人行道。主梁采用单箱双室带挑臂断面，顶板厚16mm，横隔板间距2.5m，活载为公路Ⅰ级，折合桥面每平方米用钢量457kg/m2。

    本桥用钢量512kg/m2由于跨度稍大，采用的等高度钢箱梁，且顶板厚18mm，因此折合桥面每平方米用钢量指标稍高。

    通过以上分析可以看出，经过改进后的设计在单位用钢量和受力性能及后期维护性上都有一定的改善，对今后同类型钢结构主梁的设计有一定的参考意义。

    项目资金资助：湖北省教育厅科研（2013230）

    （作者单位：武汉科技大学）