主跨85m连续窄幅钢箱组合梁设计思路

胡祥森，黄 亮，余茂峰

(浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

窄幅钢箱组合梁通过缩小箱室宽度来增加翼缘板厚度，从而减少顶底板纵向加劲肋的数量并省略其横向加劲板，同时配合采用耐久性好的钢混组合桥面板或预应力混凝土桥面板来增大桥面板的跨径并省去桥面板小纵梁，是一种能够大幅减少构件数量的合理化桥梁。由于其具有构件特别是箱内构件大幅减少、制造方便，钢主梁轻型化、便于运输和安装，受力合理、曲线及变宽适应能力强等特点，符合工厂化、标准化、机械化的绿色公路理念，所以窄幅钢箱组合梁在国外特别是日本得到了推广应用；
但目前窄幅钢箱组合梁在国内应用很少，尚在探索阶段；
国内关于窄幅钢箱组合梁的资料很少，相关文献屈指可数。有鉴于此，本文拟通过阐述柯诸高速公路(50+85+50)m窄幅钢箱组合梁的设计思路及详细情况，供类似工程参考，也为国内窄幅钢箱组合梁的快速推广出力。

柯诸高速采用高架桥形式上跨兰店快速路；
兰店快速路现状宽17m，远期预留27m，与主线右交角约32°；
经研究需要85m跨径跨越。跨越处柯诸高速路基标准宽度33.5m，主线采用分幅式断面，单幅桥宽16.25m。设计采用(50+85+50)m窄幅钢箱组合梁以左右幅错孔布置形式跨越兰店快速路，辅以大节段吊装+支架拼装的施工方案，做到施工期间不中断交通。

2.1 断面形式

单幅桥宽16.25m，桥跨布置为(50+85+50)m，主梁采用窄幅钢箱-混凝土组合梁，桥面板采用钢混组合桥面板。

窄幅钢箱组合梁针对各种桥宽可以灵活布置，但为充分发挥其结构优势，一般来说应尽量拉大主梁间距，并配合使用钢混组合桥面板以减轻桥面板重量。钢混组合桥面板的跨径通常不超过6m，且悬挑长度不应超过主梁间桥面板跨径的0.4倍。

基于上述考虑，本桥合理的断面布置如图1所示。桥梁采用三主梁结构，箱室宽度1.4m，挑臂长度1.5m，箱间净距4.525m，钢箱中心距5.925m。各钢箱之间通过箱间横梁进行连接，箱上钢混组合桥面板跨中及挑臂外侧厚250mm，在箱顶范围内加厚至350mm，上设100mm沥青铺装。

图1 桥梁典型断面示意(单位:mm)

2.2 箱室宽度

窄幅钢箱组合梁区别于常规钢箱组合梁的重要因素就是箱宽，即钢箱梁腹板间距；
窄幅钢箱梁的腹板间距是该结构的关键，关系到结构构造的合理化。考虑到安装、制造及检修时箱内的操作空间，腹板最小间距应不小于1.2m；
箱宽增加，一般会引起结构用钢量增加。

考虑到本桥跨径较大，中支点处支承加劲及横梁对顶板的设置情况较复杂，本桥窄幅钢箱梁的腹板间距取为1.4m。

2.3 梁高

钢主梁的经济梁高一般为最大跨径的1/20～1/30，连续梁较简支梁梁高可以稍低些。合理的边中跨比(0.5～0.8)时，一般由中跨跨中控制设计；
边中比较小时，边跨对中跨的卸载作用较小，跨中梁高可取高一点；
边中跨比较大时，跨中梁高可取低一点。本桥边中跨比0.588；
钢主梁梁高取为跨中高2.8m，中支点高3.8m，高跨比分别为1/30.4、1/22.4；
考虑0.35m桥面板厚后，主梁全高跨中3.15m，中支点处4.15m；
在中支点附近9.75m范围内梁高采用直线进行过渡。

2.4 板件厚度

箱梁顶底板厚度一般由受力验算确定。对于不控制设计的区域，为了充分发挥窄幅钢箱梁的优势，从取消受拉区顶底板纵向加劲肋并保证运输及安装过程中的局部稳定的角度出发，箱梁顶底板最小厚度不应小于箱室腹板间距的1/80；
对本桥来说，箱梁顶底板最小厚度不应小于1400/80≈18mm。另外，从加工制造的便利性出发，应尽量控制顶底板厚度小于50mm；
从充分发挥钢材的受力性能来说，宜将大多数板件厚度控制在40mm以内。

腹板厚度首先应满足规范规定的最小厚度，并在剪力较大的中支点区域加厚以满足抗剪要求。

为尽量减少箱内构件，发挥窄幅钢箱梁的优势，方便加工制造，箱梁顶底板的设置应省略横肋，并只在受压区设置1～2道纵肋。

本桥钢箱梁的板件厚度在16～46mm不等，钢梁顶、底板纵向在受压区均设置一道板肋，除了中墩附近梁高加高段腹板在受压区设置两道水平加劲肋外，其余钢梁腹板均在相应受压区设置一道水平加劲肋。主梁钢材均采用Q355D钢材。

2.5 箱内横隔板

箱内横隔板的作用是防止截面产生过大的变形，提高截面抗扭能力并传递箱间横梁的附加应力等。根据日本公路钢结构桥梁设计指南，本桥箱内隔板间距可不大于6m；
同时根据相关研究，为尽量减少箱梁翘曲变形，宜在中跨跨中位置设置一道横隔板[1]。从制造、运输及架设角度考虑，一个钢梁节段的横隔板数不宜少于2个，由于钢主梁的节段长度通常在10～12m左右，故本桥箱内横隔板的间距宜在5m左右。

当设置实腹式横隔板时，根据以往工程经验及计算情况，隔板的刚度富裕较大，应力一般也不控制设计，故跨间横隔板的板厚可取12mm左右，支点横隔板一般需要加厚，具体需根据验算情况确定。

本桥箱间横隔板在跨中区域每隔5～6m设置一道，在中支点附近适当加密，并在中支点、边支点及中跨跨中特定位置处设置。本桥跨间横隔板厚度采用12mm，边支点横隔板厚16mm，中支点横隔板厚30mm。为方便检修，除支点外，在箱内横隔板上均开设人洞。

2.6 箱间横梁

箱间横梁的作用是在架设时保持结构形状、减少主梁之间的相对挠度差、传递横向荷载及通过横向分配荷载来减少单个主梁的受力以及提高整个桥梁的扭转刚度等。由于钢混组合梁设置了较强大的混凝土顶板，故在架设后，横梁传递横向荷载及横向分配荷载的作用大大减少。从施工角度考虑，一个主梁节段内应设置一根箱间横梁；
从传力的角度出发，箱间横梁应设置在箱内横隔板对应位置。

本桥在支点处及跨间间隔10m左右设置一道箱间横梁，横梁均采用工字型截面。

2.7 抗剪连接件

抗剪连接件起到将钢主梁和桥面板组合在一起共同工作的关键作用。根据既有工程实践，栓钉连接件是性能较为优越的柔性连接件。受桥面板混凝土收缩等影响，组合桥梁端结合面受到的纵向剪力会明显增大；
另外，在中支点附近，由于竖向剪力较大，引起局部区域的结合面剪力也较大；
故，在梁端部及中支点处应对抗剪连接件进行加强。梁端部加强范围可取主梁间距和主梁跨径的1/10中的较小值，中支点加强范围可根据计算情况确定[2]。

本桥剪力钉采用圆头栓钉，规格为Φ22×200mm，一般段纵向间距为250mm，在梁端约7m范围及中支点左右各5m范围内加密至125mm；
横向间距2×100mm，紧靠箱梁腹板内侧布置。

2.8 组合桥面板设计

窄幅钢箱组合梁秉持少主梁、窄箱室的理念，所以其桥面板跨径一般较大，并多采用预应力混凝土桥面板或钢混组合桥面板。本桥采用钢混组合桥面板，其由底钢板、连接件与现浇混凝土构成，具有结构合理、跨越能力强、经济性耐久性好等优点。

一般地，组合桥面板的跨中最小厚度(含底钢板),hc=25Lc+110>160(mm)，式中，Lc为桥面板中跨跨径；
计算得到的hc应以厘米为单位向上取整。当悬挑长度不大于0.4Lc且小于2.5m时，悬臂部位桥面板厚度可以同样取为hc。桥面板底钢板的厚度一般为6～9mm。钢混组合桥面板的剪力连接件主要有开孔板+穿孔钢筋、栓钉+加劲板、型钢开孔板、钢筋格构剪力连接件等四种，最常用的为开孔板+穿孔钢筋剪力连接件，当桥面变宽较大引起穿孔钢筋施工困难时，可采用栓钉+加劲板剪力连接件。

本桥钢混组合桥面板由钢面板和现浇混凝土组成；
底钢板(厚8mm)、侧端板、开孔板加劲肋及其余金属固定或支承件共同组成钢面板，然后在钢面板之上现浇混凝土，混凝土与钢面板通过开孔板(设Φ22穿孔钢筋)等横向抗剪连接件实现结合。钢面板采用在工厂分段制作、运至现场吊装后用高强螺栓拼接，钢面板可作为桥面板混凝土浇注时的底模，从而实现无支架无模板施工。

组合桥面板单幅标准宽度为16.25m，悬臂长为1.5m。桥面板跨中及悬臂外侧厚度(含底钢板)为250mm，与钢梁连接处厚度为350mm。其典型断面如图2所示。

图2 组合桥面板断面示意(单位:mm)

3.1 有限元模型

采用桥梁博士V4.4建立梁格空间模型进行结构验算，钢梁与混凝土板间用刚臂连接，有限元模型如图3所示。汽车荷载采用公路—Ⅰ级，活载按实际桥面布置并采用影响面进行加载，支座不均匀沉降按1/3000桥梁跨径考虑，组合桥面板容重按27kN/m3计入，其余恒活载按实际情况及规范规定考虑[3]。计算时考虑板件局部稳定折减及顶底板剪力滞效应折减[4]，中墩墩顶左右各0.15倍跨径(13m)范围内桥面板按开裂截面考虑，钢主梁与桥面板间剪力连接件按实际输入并按规范规定考虑层间滑移[5]。

图3 全桥有限元模型

3.2 施工阶段

按施工过程计算时主要划分为8个施工阶段：

(1)搭设支架进行钢主梁吊装。

(2)钢主梁节段间焊接。

(3)钢主梁间横梁连接。

(4)拆除临时支架。

(5)正弯矩区桥面板安装、浇筑。

(6)正弯矩区桥面板起强并浇筑负弯矩区桥面板。

(7)负弯矩区桥面板起强并施工桥面系。

(8)成桥十年。

3.3 钢主梁验算结果

根据图4～图8，基本组合下：钢梁上缘最大拉应力248.1MPa，最大压应力243.3 MPa，下缘最大拉应力239.1MPa，最大压应力250.5 MPa，均满足规范规定的260/270MPa限值；
主梁组合最大剪力7146.3kN，最小剪力3870.1kN，均小于主梁抗剪承载力28600kN；
钢主梁腹板折算最大应力247.1 MPa，满足规范规定的1.1×270=297MPa限值。

图4 基本组合钢主梁上缘应力包络图

图5 基本组合钢主梁下缘应力包络图

图6 基本组合最大剪力及钢主梁抗剪承载力包络图

图7 基本组合最小剪力及钢主梁抗剪承载力包络图

图8 基本组合钢主梁腹板折算应力图

3.4 抗剪连接件验算结果

如图9所示，基本组合下结合面最大剪力3417.6kN，出现在梁端，对应处的结合面抗剪承载力6597.3kN，其他位置结合面抗剪承载力均大于相应处的结合面剪力效应，满足要求。如图10所示，>正常施工极限状态标准组合下结合面最大滑移值0.119mm<0.2mm。

图9 基本组合连接件抗剪验算图

图10 标准组合下结合面滑移验算图

3.5 桥面板验算结果

如图11所示，桥面板纵向最大裂缝宽度出现在中墩墩顶，为0.116mm，纵向抗裂满足相关要求。

图11 频遇组合桥面板裂缝宽度验算图

钢混组合桥面板为横向单向板，将底钢板等效为同等面积的钢筋，偏保守考虑不计横向开孔板的作用，经横向轮载验算，桥面板受力满足要求。

大跨连续钢混组合梁中支点负弯矩区域桥面板易出现裂缝，负弯矩区抗裂常用的方法有施加预应力法、支点强迫位移法、采用超高性能混凝土法、压重法、柔性连接件组合法[6]、调整施工工序法等。施加预应力法对钢梁内力有影响，且工序较复杂；
以抗拔不抗剪剪力钉为代表的柔性连接件组合法，从实际应用情况来看，一般用于60m以下的中小跨径组合梁中；
对于施加预应力和强迫位移法，部分学者认为，随着时间的推移，其施加的预加力效应会逐渐消失[7]。

对于大跨径连续钢混组合梁，压重法代价高，施工复杂；
强迫位移法需要顶升及落梁的位移较大；
若采用超高性能混凝土则成本较高。从本桥有关验算及实践情况来看，对于大跨径连续钢混组合梁，采用调整施工工序法，先浇注正弯矩区桥面板混凝土后再浇注负弯矩区(中支点左右各0.15倍跨径范围)桥面板混凝土，基本不增加成本及工序，施工方便，并可以较好地控制中支点负弯矩区桥面板的应力水平和裂缝宽度，完全能满足使用要求。

结合柯诸高速上跨兰店快速路处的(50+85+50)m窄幅钢箱组合梁工程实例，全面介绍了窄幅钢箱组合桥梁断面形式和箱宽的拟定、梁高及板件厚度的选择、横隔板及横梁的设置及抗剪连接件的选用，并着重介绍了钢混组合桥面板的设计；
进一步地，对结构的验算结果进行了介绍，表明(50+85+50)m窄幅钢箱组合梁结构强度、刚度及抗剪连接件、组合桥面板等均满足规范要求，结构安全可行；
最后，文章讨论了适合大跨连续钢混组合梁中支点负弯矩区的抗裂控制措施。

窄幅钢箱组合梁是一种合理化的桥梁结构，具有制造、运输及安装方便、受力合理、曲线及变宽适应能力强等诸多优点，符合工厂化、标准化、机械化的绿色公路理念，但在国内的应用很少，尚在探索阶段；
鉴于窄幅钢箱组合梁及组合桥面板在国内的资料较少，本文的介绍可供类似工程参考，并有望为结构的推广应用助力。