三跨异形钢结构连续梁设计分析

2022-07-28刘亮

四川水泥 2022年7期

刘亮

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

随着国家经济实力的不断增强，基础设施建设速度加快，大量高架出现在城市中。这种高架一般以标准化的中小跨径为主，结构型式以小箱梁、T梁等为主。在跨越大型交叉口、河道、铁路等节点时，需采用大跨径桥梁进行跨越，其中常用的大跨径连续结构有连续混凝土梁和连续钢梁两种。本文选取黄河流域兰州白塔山段综合提升改造项目（30+35+30）m 异形连续钢箱梁项目为例，对三跨异形钢梁的受力状态、构造布置以及工况进行对比分析，对其分叉处、匝道、主梁的受力情况进行研究，以期为同类项目提供参考。

1 研究对象基本情况

1.1 研究对象

选取白塔山段项目中异形一联桥梁进行分析研究，该联跨度分配为（30+35+30）m，采用钢箱梁连续结构，梁中心高为1.6m，全联道路中心线处梁高度均相同，箱梁顶板设置1.5%的桥梁横坡，梁底采用0%横坡，A匝道与B匝道宽度均为8.0m，匝道之外的梁宽为变化值。

1.2 A匝道与B匝道关系

PS6～PS7 段为整体式截面，PS7～PS9 段A 匝道与B匝道为分离式截面，两者纵坡不一致，采用横向联系进行连接。在PS7～PS8桥下需要满足车辆通行需求[1]。

2 结构特点

2.1 Y连续梁介绍

本文所研究的连续梁与一般连续梁有不同之处。一般设计在桥梁分叉位置均会设置伸缩缝，以保证桥梁受力更加明确。文中桥梁由于地面交通因素限制无法在分叉位置进行分联，造成连续梁边跨由两条匝道分别构成，形成“Y”形的连续梁，体系仍然是连续形式。

2.2 Y连续梁受力分析

“Y”形的连续梁在空间状态下的受力相对常规结构有所变化，主要表现在横向联系会承担较大部分的力，这在以往工程案例中不多见。尤其是A匝道和B匝道的纵坡不一致，使得空间受力更加复杂。为了使得桥梁受力明确，在设计时，将A匝道和B匝道用矩形截面小横梁进行连接，在很大程度上增加了桥梁的刚度，同时受力也更加明确[2]。

3 桥梁总体设计

3.1 桥梁结构

桥梁上部采用Q345qD 钢结构梁体，下部桥墩采用预制拼装技术，其中桥墩与承台过渡部位采用后浇超高性能混凝土进行连接，桥面上铺设有0.06m的超高性能混凝土铺装层，该层结构参与结构受力，桥梁上设置SA级铝合金防撞栏杆。

3.2 桥梁总体布置

A匝道和B匝道采用单箱双室截面，桥梁未分叉部分采用单箱四室或者单箱六室，采用斜腹板形式，在匝道分叉处附近增加箱室个数，以便提高整体刚度；A匝道和B匝道之间用小横梁进行连接，小横梁断面为1.5m×1.1m 矩形断面，共计7 道，在PS7 和PS8 处设置2.0m×1.6m的中横梁，在PS6和PS9处设置端横梁，断面布置为1.5m×1.6m 矩形断面[3-4]。桥梁立面图、平面图、断面图如图1、图2、图3所示。

图1 桥梁立面图（单位：mm）

图2 桥梁平面图（单位：mm）

图3 PS9桥梁断面图（单位：mm）

4 有限元模型计算分析

4.1 有限元模型分析

利用空间软件对桥梁进行了建模分析，其中支座按照减隔震支座进行模拟，主梁及小横梁均采用实际截面数据进行修正，其中钢梁重量按照实际用钢量进行荷载模拟。对全联进行划分，采用梁格模式进行分析[5-6]。其有限元模型及结构内力分析结果见图4、图5、图6所示。

图4 空间有限元模型

图5 基本组合钢梁上缘应力包络图

图6 基本组合钢梁下缘应力包络图

4.2 有限元分析结果

从计算分析中可以看出，基本组合下，钢梁上下缘最大应力分别为144.6MPa 和171.4MPa，均在规范容许范围之内。横向联系结构最大应力为108.0MPa，应力水平相对较高，横向联系做了加强设计，为矩形闭口截面。最大的位移出现在中跨跨中，且该位置处弯矩比边跨中间位置大，从总体纵梁受力数据来看，纵向受力依然服从常规连续梁受力规律。从梁格模型数据上分析，每个纵梁的受力在不同情况下差别较大，受力分配不均匀，同样造成该部分板件储备值较大，可以作为后续精细化设计的参考案例。

4.3 Y连续梁受力规律分析

Y连续梁受力不同点在于分叉口位置，此处受力明显增大。对比有横向联系和无横向联系的分析结果，没有横向联系的工况下，在分叉口位置，钢梁应力接近规范上限，具有很大的安全隐患。分叉口位置受力复杂，为了减小该区域受力的复杂性，在加强此处构造的同时，也要将A匝道和B匝道的刚度提高，使得传力路径更多，梁体整体刚度更大。

对比恒荷载及活载下反力值，PS9 处设置了4 个支座，4个支座反力差别较大，为了防止脱空或者受力不均匀，需要额外填充混凝土。