钢板连续梁设计研究

摘要： 随着人们生活水平不断提高、生活节奏不断加快，人们对城市交通要求越来越高，城市桥梁建设过程中如何减少道路封闭时间、降低交通拥堵是设计者不断研究的课题。本文以沈阳市北一路快速路建设工程35+50+35m钢板梁设计为例，利用钢板梁自重轻、强度大等特点，钢板梁采用分段制作、现场吊装焊接形式，以适应交通繁忙路段施工。

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards and the accelerating pace of life， people increasingly need high demand for urban traffic. Designers have to continue the subject that how to reduce road closure time and traffic congestion in the process of urban bridge construction. In this paper， it is taken the 35+50+35m steel girder design of the expressway construction project in Shenyang Beiyi road as an example， which has driven the steel plate girder making into sections and taken the field hoisting and welding form in order to adapt to the busy road traffic construction according to the steel girder advantages of light weight， strong strength and other characteristics.

关键词：钢板桥；空间计算；缓解交通压力

Key words： steel girders bridge；spatial computing；ease the traffic pressure

中图分类号：U448.21+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）12-0118-04

0 引言

城市桥梁建设通常都采用封闭法施工，从下部的桩基础、墩台到上部的梁及桥面附属，少则封闭几个月、多则封闭数年，施工对城市交通的影响越来越受到桥梁建设单位及交通管理单位的重视，但以目前的技术水平无法进行开放式施工，施工对于交通的影响短期内无法避免，半封闭施工将是今后城市桥梁建设发展方向，本文以半封闭施工理念进行钢板连续梁设计，以减少城市桥梁建设对交通的影响。

1 工程简介

沈阳市北一路位于沈阳市中心东西主轴线上，西接国道304，东接东西快速干道。北一路与兴华街、保工街（一环）、重工街（二环）等主干道交叉，沈阳金谷、万达广场、国际服装城等商业中心汇集于此，远期交通量增长较快。现状北一路机动车道宽度为35m，双向10车道，两侧为2.5m人行道和5.0m非机动车道，早晚出行高峰期，交通拥堵较严重。为缓解区域交通压力，提高路网通行能力，沈阳市在既有北一路上方新建快速路高架桥。新建高架桥全长5.1km，全宽17.5m，双向四车道。

2 方案比选

该工程最初采用常规的飞燕式预应力混凝土连续梁设计，满堂支架法现浇施工。从下部的桩基础、墩台到上部的梁及桥面附属预计北一路需封闭12个月，但北一路为城市主干道，全天车流较大，长期封路对交通影响较大。经过技术及经济比选，设计采用钢板连续梁设计方案，北一路实行分段封闭，采用流水线式施工，封闭一处后先施工桩基、墩台及恢复既有路面，完成后进行钢板梁吊装焊接，钢板梁焊接完成后即可恢复既有道路通车，然后再钢板梁上施工桥面板及附属工程，将北一路分成多段依次进行施工，预计北一路仅需封闭5个月。

3 钢板连续梁设计

北一路快速路建设工程全线采用钢板连续梁，钢板梁采用四道工字型梁，间距4.5m，钢板梁腹板间隔平均1400～1800mm设置一道竖向加劲肋；端支点和中支点处设箱型横梁，跨中每隔6.0～8.0m设工型横梁；桥面板采用合成桥面板，由8mm厚钢板及桥面混凝土组成，钢板上设置剪力钉，通过剪力钉与砼形成合成桥面板，整体受力。

钢板梁工厂分段制作，运到现场后用临时支墩及吊车配合焊接，纵横梁焊接完成后，在纵横梁上直接施工桥面板，桥面板施工不影响下方道路通行，钢板梁采用非组合结构。

3.1 结构分析及计算

钢板梁计算分析采用Midas软件，建立空间梁格体系模型，桥面板模拟为板单元竖向支撑于钢板梁纵、横梁上，只传递桥面荷载，不参与钢板梁截面刚度。计算钢板梁在各种作用组合下的效应，并对其进行强度、刚度、稳定性（总体、局部）及抗倾覆分析。

合成桥面板计算分析采用桥梁博士软件分别建立横、纵向平面杆系模型，横向按单向板和悬臂板分析，纵向按连续板分析，并考虑纵向总体作用和局部作用的叠加，分别对其进行承载力和裂缝验算。

3.2 钢板梁计算

3.2.1 钢板梁强度

首先根据经验初步拟定纵、横梁尺寸及板厚，采用迈达斯软件建立空间模型，结合实际情况进行加载计算，见图1。

初步得出纵、横梁在基本组合下的主应力及剪应力，然后通过选用钢材的强度设计值确纵、横梁尺寸及板厚是否合理，并对纵、横梁尺寸及板厚进行调整，重新建模计算，纵梁主应力图见图2，纵梁剪应力图见图3。

通过钢板梁空间计算可知，桥面板、桥面铺装及汽车荷载主要由纵横梁承担，纵横梁焊接完成后，后期施工可在纵横梁上完成，桥上施工不影响桥下道路通行。

3.2.2 钢板梁变形计算

通过结构计算不计汽车冲击力的汽车车道荷载下的挠度，通过连续钢板梁跨度计算挠度限值（l/500），结构计算挠度不应超过挠度限值。设置桥面预拱度，一般采用连续钢板梁自重值加1/2车道荷载频遇值作用下的挠度，荷载作用产生的跨中挠度值见表1。

①根据规范要求，活载产生的竖向挠度值应符合以下要求：

经计算可知：活载产生的竖向挠度满足要求。

②预拱度计算。

根据规范要求，钢板梁桥预拱度设置如下：

综上计算可知，边跨预拱度为47mm，中跨预拱度为102mm。要求预拱度做成圆滑曲线。

3.2.3 钢板梁稳定计算

①纵梁稳定性计算。

纵梁自由长度L1=8m（中间横梁最小间距为8.0m）

纵梁宽度 B1=0.7m（工字钢纵梁顶宽0.7m）

由于：L1/B1=11.43

满足条件，不需要计算纵梁的整体稳定性。

②横向抗倾覆稳定计算。

在基本组合作用下，可采用如下公式计算：

式中：kqf―横向抗倾覆稳定系数，取kqf=2.5；

∑Sbk，i―使上结构稳定的作用基本组合的效应设

计值；

∑Ssk，i―使上结构失稳的作用基本组合的效应设

计值；

3.2.4 腹板加劲肋计算

①腹板加劲肋。

腹板加劲肋需计算纵、横梁的端支点、中间支点及跨中截面，钢板梁中间支点处加劲肋尺寸见表2，计算如下：

加劲肋惯性矩Il=1/12×20×2503+250×20×1252=104166667mm4

纵向加劲肋截面惯性矩验算：

经计算可知：加劲肋截面惯性矩满足要求。

纵向加劲肋构造验算

加劲肋宽度b=250mm>hw/30+50=146mm

同时，宽度b=250mm>1.2×146=175mm

加劲肋厚度b=20mm>b/13=19.2mm

中间支点处截面加劲肋满足要求。

②支承加劲肋。

支承加劲肋需计算中支点及端支点截面，钢板梁中间支点处抗压强度设计值见表3，腹板与加劲肋尺寸参数见表4，计算如下：

腹板局部承压有效计算宽度Beb=B+2（tf+tb）=642mm

腹板有效宽度Bev=1672mm

支承加劲肋端面承压应力验算：

经计算端面承压满足要求。

支承加劲肋抗压强度应力验算：

经计算抗压强度满足要求。

支承加劲肋稳定性验算：24×tw=672

腹板面积计算：Af=672×28+2×500×28=46816mm2

加劲肋面积计算：Aj=6×370×40=88800 mm2

0.7×加劲肋面积计算：0.7Aj=0.7×88800=62160 mm2

腹板面积未超过加劲肋面积的70%时，总面积计算为：Am=Af+Aj=135616 mm2

支承加劲肋端部补强板面积计算：Ab=0

有效截面积计算：A=As+Ab=135616 mm2

即：σ=108MPa

经计算可知：加劲肋稳定性满足要求。

3.2.5 钢材抗疲劳计算

钢材抗疲劳计算需计算纵、横梁抗疲劳计算，本桥结构荷载采用疲劳荷载计算模型Ⅰ进行的计算，通过Midas计算出结构构件的疲劳受力情况。

①纵梁正应力幅抗疲劳计算参数见表5，计算如下：

验算截面到伸缩缝的距离 D=10.0m

经计算可知：正应力幅抗疲劳计算满足要求。

②纵梁剪应力幅抗疲劳计算参数见表6，计算如下：

经计算可知：剪应力幅抗疲劳计算满足要求。

4 施工方案

①钢板梁（纵梁、横梁）、桥面板底钢板（包括其肋、剪力钉等）工厂分段预制，钢板梁分段可以采取纵向约30m一段，支点横梁为整体一段，桥面钢板可采取纵桥向每2.35m一个单元分段制作，每个单元含底钢板和几道横向加劲肋。②临时分段封闭交通，通过临时支墩进行钢板梁现场架设、拼装、连接，完成后解除道路封闭。③桥面板底钢板现场架设、拼装、连接，浇筑横梁顶水泥及灌浆料。④浇筑混凝土桥面板。⑤施工桥面整体混凝土铺装。⑥施工桥面沥青铺装、防撞墙等附属。

5 结论

通过空间建模，将钢板梁恒载及车辆活载全部加在纵梁上进行模拟计算，得出钢板梁应力、变形、稳定性均满足要求，钢板梁焊接完成后，再钢板梁上施工桥面板理论上是可行的；通过钢板梁加劲肋及局部稳定性计算，钢板梁纵横梁结构局部稳定满足分段焊接需求，结合钢板梁自重轻、构造简单可实现分段制作等特点，设计采用半封闭法施工是可行的。减少了封道时间，降低了交通压力，可为以后城市桥梁设计及施工提供借签。

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