广州市市政工程设计研究总院 广州 560010
摘要：城市立交桥由于受施工条件、施工工期、桥下地面交通的布置和桥梁总体美观等限制，连续钢箱梁方案具备优势。连续梁一般在曲线段上成为连续弯梁。本文根据连续曲线钢箱梁的特点，就设计中应注意的若干问题，通过计算复核，使连续曲线钢箱梁设计安全、合理、经济。
关键词：曲线钢箱梁 偏心 疲劳设计
1前言
近年来，城市交通日趋繁忙，城市快速路或主干道在城市交通中发挥着举足轻重的作用，重要节点或者路段多采用立交方案。在城市立交桥中，桥梁结构布置的难点一般在匝道曲线段上的桥梁结构。
对于城市匝道桥，半径较小，且桥下净空富余较小，桥梁多采用中小跨梁桥。分跨布置时，不仅要考虑匝道桥的合理分跨，而且要考虑施工时地面道路的交通疏解，留出位置布置地面车道。常规混凝土连续弯梁采用现浇施工，箱梁结构高度大、支架施工所需施工作业面大，周期长，难以满足城市用地和交通的需要，因此预制拼装的连续曲线钢箱梁方案成为唯一选择。
2曲线钢箱梁的特点
对于曲线梁，桥梁跨度受到曲线半径影响。匝道桥中小等跨径的桥梁可选用等截面的箱梁断面。其主要有以下几个特点。
(1)钢结构自重较轻，30m左右跨度的钢梁，每平方米重450kg左右，远小于混凝土连续结构。
(2)钢结构对复杂桥位的适应性好。
(3)钢结构强度较高，容许应力大，应力往往不控制设计。
(4)连续曲线钢箱梁中，由于扭转效应的存在，双支座会产生不均匀的反力，应采取必要的措施避免由此带来的不利影响。
本文以某调头匝道为例，结合曲线钢箱梁的特点，就设计关心的几个问题，展开设计计算，并指导工程设计。
3工程简介
某快速路设一对调头匝道。A匝道桥跨组合为4x20+3x20+(20+26+20)+4x20m；B匝道桥跨径组合为3x20+(20+25+2x20)+(20+25+20)m。受梁高和净空限制，跨越地面道路桥跨采用钢梁，其余均为混凝土现浇梁。
A匝道第三联为(20+26+20)m钢箱梁，曲线半径40m，钢箱梁梁高1.25m，钢梁顶面现浇15cm厚C50混凝土叠合层。桥宽9.3m，单箱三室断面，边线为预制箱，中箱为拼接箱。箱梁由工厂预制箱和现场拼接箱焊接而成。箱梁顶底板厚度16mm，支点处加厚至24mm，腹板等厚，板厚16mm；跨中间距1.5m设置一道横隔板，板厚16mm。由于匝道超高影响，采用钢梁底板水平，调整腹板高度和叠合层厚度适应桥面横坡的变化。本文就本联曲线钢箱梁为例进行设计计算。
钢箱梁断面布置图
4结构计算模型
采用Midas/Civil2015(V8.32)有限元分析软件进行结构分析。采用空间杆系有限元模型进行计算，主梁和下部结构以梁单元进行模拟。铺装及桥面附属设施等二期恒载均以等效荷载的形式施加。
整体结构离散图
第三联主梁按钢结构进行设计，根据整体结构的形成按施工阶段、成桥阶段分别计算其内力。永久荷载考虑结构自重、二期铺装层重量和支座沉降，可变荷载考虑汽车荷载、整体升降温荷载和梯度温度荷载。
根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)，对主梁结构进行承载能力极限状态的基本组合，正常使用极限状态的频遇效应组合及长期效应组合，持久状况和短暂状况的标准效应组合。验算结果如下：
(1)结构变形
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)第4.2.3条的相关规定，在不计冲击力的汽车车道荷载频遇值的工况下，简支或连续梁主梁的最大挠度不超过计算跨径的1/500。在汽车荷载下，最大竖向位移为11mm，满足要求。
主梁在车道荷载作用下的竖向挠度如下图所示：
挠度计算值
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)第4.2.4条的相关规定，预拱度宜为结构自重标准值加1/2车道荷载频遇值产生的挠度值，计算得到的预拱度最大值为14.0mm。
(2)钢结构应力验算
基本组合作用下，钢结构组合应力的最大值为83MPa，小于《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2015)规定的Q345钢材的抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度设计值。
钢结构组合应力(Mpa)
(3)受压板加劲肋尺寸验算
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2015)第5.1.5条规定，本桥受压加劲板的加劲肋几何尺寸应满足如下公式：
本文肋板厚度采用12mm，满足钢板尺寸要求。
(4)受压加肋板验算
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2015)第5.1.6条规定，本桥受压加劲板的加劲肋采用刚性加劲肋，纵、横向相对刚度按规范进行验算，根据规范计算结果下表，计算表明，各加劲板刚度满足要求。
受压加劲板验算表
(5)腹板及腹板加劲肋验算
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64-2015)第5.3.3条的规定，进行腹板和腹板加劲肋验算，结果如下：
腹板最小厚度验算
(6)钢梁疲劳验算
按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)第5.5节的相关规定，计算钢主梁的抗疲劳能力，依表C.0.8判定构件疲劳细节类别△σc=110MPa，根据I类疲劳荷载计算模型，定义“应力幅”荷载工况，其荷载组合为汽车车道荷载、离心力和汽车制动力的标准组合。基于主梁截面的受力特点，需依次验算上、下翼缘的正应力幅△σp上、△σp下及截面y、z方向的剪应力幅△τpy、△τpz。采用计算模型I疲劳荷载的验算公式时，可先确定相关参数的值：γFf=1.0，γMf=1.35，尺寸效应折减系数ks=1.0，放大系数△φ=0，正应力常幅疲劳极限△σD=90MPa，剪应力幅疲劳截止限△στ=40MPa。
计算表明本联钢梁按照模型I验算，疲劳应力幅满足规范要求。
(7)支座反力
连续曲线钢箱梁在下列因素的共同作用下，边墩双支座中的一个容易出现负反力，出现支座脱空现象，中墩支座反力不均匀分布，应采取措施进行调整。(1)钢箱梁结构自重较轻，连续曲梁边支承恒载反力小，支座的预压力不够大。(2)连续曲梁在支座不进行偏心调整时，在恒载作用下，由于扭转效应，会引起边支座反力不均匀，曲率半径越小，反力差值越大。
在上述因素作用下，存储恒载反力小的支座就会容易出现负反力，出现支座脱空现象，因此应对支座进行偏心调整，使反力均匀。
本联钢梁考虑边墩设置30cm的偏心，中墩设置15cm的偏心，避免支座脱空和平衡支座反力。计算结果如下表所示。
主梁支座竖向反力表
注：表中1支座为曲线内侧，2支座为曲线外侧。
根据上部结构计算可知，在设置桥墩偏心调整后，各轴支点反力分布较为均匀，在标准组合作用下支座未出现脱空现象。
5结语
（1）钢结构通用性强，可以按实际需要布置跨径，能较好适应用地限制和和地面交通保通的需求，经济效应较好。
（2）钢梁自重较小，同时合理设置边中墩的整体偏心，避免支座脱空，使得支座均匀受力。同时，整体布置时应适当放大边跨和中跨的跨径比，提高边跨预压效果。
6参考文献
（1）吴冲.现代钢桥［M］.北京:人民交通出版社，2011.
（2）徐君兰,孙淑红.钢桥［M］.北京:人民交通出版社，2011.
论文作者:刘小刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/1
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