中等跨径公路钢箱梁桥结构内力分析*

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赵剑丽

(浙江交通职业技术学院路桥学院, 杭州 311112)

摘 要：钢箱梁桥已广泛应用于公路中等跨径桥梁中，对中等跨径公路钢箱梁桥的合理构造进行研究，有利于推动钢桥的标准化建造。通过对代表性桥宽和典型主梁间距进行探讨，重点分析典型主梁布置和桥宽下，单根主梁的弯矩和剪力、恒载和活载比例等参数与主梁跨径的关系。研究表明，单梁设计内力主要决定于主梁间距和跨径，而与桥宽关系不大；单向行驶的弯矩、剪力值可作为主梁的设计代表值。

关键词：中等跨径钢箱梁桥; 主梁受力性能; 合理构造; 标准化建造

1 概 述

钢结构轻质、高强、抗震性能好，且有可工厂化生产、性能稳定、质量易控、生产效率高、施工安全、环保节水、可重复利用等优点，因此，广泛应用于各个行业[1]。合理设计的钢箱梁桥比预应力混凝土和钢筋混凝土桥更有优势，钢箱梁桥在公路中等跨径桥梁中有着广阔的应用前景。

钢结构不仅适用于大跨度结构和复杂桥梁结构，也适用于中等跨径桥梁，特别是跨越铁路、高速公路、城市交叉口及匝道桥梁等[2]。但在中等跨度公路钢箱梁桥的应用方面，我国与先进国家相比存在很大的差距，所以对中等跨径公路钢桥的结构进行内力分析具有较强的工程应用价值。

我国曾于1973年编制了25～40 m标准跨径的钢筋混凝土T型梁桥标准图，且随着JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》的实施，2008年交通部专家委员会组织全国20多家公路甲级设计企业，编制了公路桥梁上部结构系列通用图[3]。在铁路钢桥方面，建国初期，我国曾参照前苏联的设计，根据铁路活载标准编制了板梁及桁架梁铁路桥标准设计图集。20世纪60年代初期修订了铁路桥的标准跨度，制订了跨度24，32，40 m的上承及下承焊接钢板梁标准设计图集，增加了使用较为广泛的跨度为48,64,80 m的单线铁路下承桁梁桥标准设计图集。但在公路钢桥方面，我国尚未有广为认可的钢桥标准设计图集及合理构造[4]。

2 计算模型

由于道路等级与设计时速的不同，设计桥宽和活载计算车道数会有所不同。为简化计算，先基于活载计算车道数，对不同宽度的桥梁进行分类；后对每种车道数相同的桥梁，选取3种代表性桥宽的桥梁进行计算分析。针对每种代表性桥宽，拟定3种主梁布置，对这些具代表性的典型桥梁进行计算分析。

具有代表性桥宽的桥梁布置遵循以下原则：主梁间距控制在5～7 m之间，悬臂长度为主梁间距的1/2以下。主梁间距应尽量选取5，6，7 m。为了便于内力分析，每种主梁间距下给出最合理的一种布置，典型横截面布置如图1所示。

图1 组合箱梁截面

3 荷载作用与组合

为能尽可能涵盖所有主梁布置情形，选取的主梁间距在5～7 m之间，悬臂长度为主梁间距0.3～0.5[5]。对应每种主梁间距，分别选取3种悬臂长度。对桥面板悬臂板根部进行设计时，板厚取跨中板所需板厚与加腋厚之和、悬臂板根部所需板厚两者中的较大值；桥面板跨中板设计板厚取悬臂板根部设计板厚减去加腋厚度。桥面板荷载集度计算取不计撞击作用的桥面板板厚[6]。桥面板加腋底部宽度与钢梁上翼缘板同宽，加腋底部宽度随着主梁跨径的增加而增加。

钢梁单位桥面面积的自重w(kN/m2)，按式(1)进行估算：

w=2.0+0.05(L-30)

(1)

式中：L为主梁计算跨径，m。

由上文分析及式(1)可知，桥面板自重单梁荷载集度与钢梁自重单梁荷载集度均会随着主梁跨径的增加而增加。

3.1 二期恒载

二期恒载包括栏杆与桥面铺装。二期恒载中沥青铺装层厚取9 cm，混凝土铺装层厚取6 cm，单侧防撞栏杆取10 kN/m。二期恒载荷载集度不随主梁跨径变化 [7]。

3.2 活 载

汽车活载取公路-I级汽车荷载，采用荷载横向分布方法将空间桥梁简化为平面结构计算[8]。对于多车道桥梁，计算由汽车荷载产生的效应时按JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[6]的规定，采用多车道横向折减系数进行折减。

3.3 荷载作用组合

根据GB 50917—2013《钢-混凝土组合桥梁设计规范》[5]第4.2.3条的规定，当钢-混凝土组合梁进行截面承载力、整体稳定、抗剪连接件承载力计算时，作用的效应组合应采用现行业标准JTG D60—2015[6]的基本组合；进行倾覆稳定计算和疲劳计算时，作用的效应组合应采用JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[9]的标准组合。

4 内力分析

4.1 恒 载

图2为几种典型桥宽(B)、相同主梁间距(b)下，恒载设计内力与跨径关系曲线。由图2可知，在主梁间距不变的情况下，单梁设计内力主要决定于跨径。恒载跨中弯矩随着主梁跨径的增加呈二次增加，恒载支点设计剪力随主梁跨径的增加呈线性增加。桥宽对单梁恒载内力也有一定的影响，桥宽越大，恒载弯矩越小。原因在于：桥宽越大，相同主梁间距下主梁数越多，则平均每根主梁均分的二期恒载(栏杆)越小。

图2 恒载内力-跨径关系(相同主梁间距b=5 m)

图3为桥宽32 m和46 m时，不同主梁间距下，恒载设计内力随主梁跨径的变化曲线。由图3可知，随着主梁间距的增加，桥面板厚度增加，一期恒载增加，单梁内力明显增加，但单宽恒载内力变化不大。在主梁配筋为φ18@100时，主梁腹板间距为 2.0～3.6 m，推荐的桥面板板厚均为200 mm，而假定的钢梁荷载集度与主梁跨径无关，故主梁单位宽度(以下简称“单宽”)恒载内力受主梁间距影响不大。

图3 跨中弯矩-跨径关系

图4为相同主梁间距、不同桥宽条件下，恒载比例随主梁跨径的变化曲线。由图4可知，恒载跨中弯矩占总设计弯矩的60%～85%，并且比例随着主梁跨径的增加而增大，桥面宽度越大，恒载弯矩所占的比例越大。

图4 恒载比例-主梁跨径关系

4.2 活 载

图5为相同主梁间距、不同桥宽条件下，活载设计内力随主梁跨径增加的变化曲线。由图5可知，单宽活载内力主要与横向分布系数有关。随着主梁跨径增加，活载弯矩近似呈线性增加；不计横向分布系数和冲击系数的活载剪力也呈线性增加，而由于横向分布系数和冲击系数减小，所以活载剪力与主梁跨径的关系不明显。由图5也可知，主梁间距相同时，桥宽越小，活载内力越大。

图6为桥宽为46 m时，不同主梁间距，单梁活载设计内力随主梁跨径增加的变化曲线。单梁活载弯矩与主梁间距有关，主梁间距越大，单梁活载弯矩越大，单梁跨中活载弯矩与主梁跨径基本成线性关系；单梁活载剪力与跨径关系不明显。

图7为主梁桥宽32 m时，不同主梁间距下单宽活载设计内力随主梁跨径增加的变化曲线。由图7可知，主梁单宽活载内力受主梁间距影响不大，主梁间距较小时，单梁内力较小，但是单宽弯矩较大。

图8为不同桥宽、相同主梁间距下活载比例随主梁跨径增加的变化曲线。由图8可知，主梁间距越大，活载比例越小。主梁间距越大，恒载比例越大。随着主梁跨径增加，单位面积上恒载集度增加，活载变化不大，活载比例减小。

图9为桥宽32 m和46 m时，不同主梁间距下活载比例随主梁跨径增加的变化曲线。由图9可知，主梁间距越大，活载比例越小。主要是受恒载影响，主梁间距越大，恒载比例越大。随着主梁跨径增加，单位面积上恒载集度增加，活载变化不大，活载比例减小。

图5 相同主梁间距、不同桥宽下单梁活载内力与主梁跨径关系

图6 不同主梁间距下单梁活载内力与主梁跨径关系(B=46 m)

图7 不同主梁间距下单宽活载内力与主梁跨径关系(B=32 m)

图8 不同桥宽、相同主梁间距下的活载比例与主梁跨径关系

4.3 荷载作用组合

对规范给出的不同极限状态及荷载组合下的钢箱梁进行了计算，得到了恒载、活载基本组合下 40～80 m跨径下单梁跨中设计弯矩和支点设计剪力，其中桥宽32 m时的计算结果如图10所示。由图10可知，桥宽相同时，主梁间距越大，单梁设计弯矩和剪力越大。

图9 不同主梁间距下活载比例与跨径关系

图10 不同主梁间距下单梁内力(B=32 m)

对典型主梁间距(b=5，6，7 m)、不同桥宽的弯矩内力值(单梁)进行了计算，其中b=7 m时的结果如图11所示。由图11可知，在相同主梁间距下，桥宽越小，设计内力越大，且主要受活载影响。

图11 不同桥宽下单梁内力(b=7 m)

图12 单梁内力(b=5 m)

对典型桥梁主梁间距、不同桥宽的弯矩设计值进行了计算，选出了其中最大值作为各种主梁间距的代表弯矩设计值，其中主梁间距为5 m的代表设计值结果如图12所示。由图12可知，相同主梁跨径和主梁间距下单向行驶的代表设计弯矩和剪力值较双向行驶的代表值更大，因此可偏于安全地选择单向行驶的弯矩、剪力值作为设计代表值。

5 结束语

1)单梁设计内力与桥宽关系不大，主要决定于主梁间距和跨径；设计内力随着主梁跨径的增加而增加，跨中设计弯矩与跨径呈二次抛物线关系，支座设计剪力与跨径呈一次线性关系。

2)在相同桥宽下，主梁间距越大，单梁恒载和活载的设计弯矩和剪力越大；相同主梁间距下，桥宽减小，则恒载和活载的设计内力均增大，总的设计内力也增大。

3)对比单向行驶和双向行驶结果，单向行驶的代表设计弯矩、剪力值更大，可偏于安全地选择单向行驶的弯矩、剪力值作为主梁的设计代表值。

参考文献：

[1] 赵伟,张征文. 钢结构桥梁[M]. 北京：人民交通出版社, 2015. [2] 赵伟,刘海龙,陆森强. 中小跨径钢梁桥钢筋混凝土桥面板合理构造设计研究[J].工业建筑, 2015,45(增刊):687-691.

[3] 王玉, 凤懋润,鲍卫刚. 公路桥梁结构标准化技术的发展与应用[J].公路, 2009(11):1-5.

[4] 吴冲,曾明根,翟慧娜.我国公路简支钢混组合梁合理截面研究[J].桥梁建设,2007(5):30-33.

[5] GB 50917—2013 钢-混凝土组合桥梁设计规范[S].

[6] JTG D60—2015 公路桥涵设计通用规范[S].

[7] JTG D62—2012 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8] EN 1994—2∶2005.Design of Composite Steel and Concrete Structures-Part 2:General Rules and Rules for Bridges[S].

[9] JTG D64—2015 公路钢结构桥梁设计规范[S].

ANALYSIS OF STRUCTURAL INTERNAL FORCE OF MEDIUM-SPAN HIGHWAY STEEL BOX BRIDGE

Zhao Jianli

(Department of Road and Bridge, Zhejiang Institute of Communication, Hangzhou 311112, China)

Abstract：The steel box bridge has been widely used in medium-span highway bridges. The researches on rational structure of medium-span steel box bridge are helpful to promote the standardization production of steel bridges. The representative bridge width and typical main beam spacing were determined, then the ratio of moment and shear, designed value and influencing parameters were analyzed in detail with certain beam arrangement and bridge width.The research showed that the design force of single beam was mainly determined by spacing and span of main beams, and have little relationships to wide of bridge. And one way traffic moment and shear values could be used as design representative value of main beams.

KEY WORDS：medium-span steel box bridge; mechanical behavior of main girder; proper structure; standardization research

*交通运输部应用基础项目(2015319G01170)；浙江省交通运输厅科技项目(2015-2-16)。

收稿日期：2016-04-25

DOI：10.13206/j.gjg201611003

作 者：赵剑丽，女，1976年出生，硕士，讲师。

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