大跨度变截面钢箱梁托管桥在新疆某引水工程中的应用

郝永志

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

[关键字] 变截面钢箱梁；托管桥；长距离输水工程

1 工程概况

某引水工程是为经济技术开发区提供生产、生活用水的一项长距离调水工程，输水主管管径为1.8 m，项目位于新疆昌吉州阜康市境内。管线在桩号71+420处穿越一条沙漠明渠高填方渠道，为保证渠道正常输水，输水管道跨该渠道采用托管桥穿越形式。托管桥单跨最大跨径150 m，总跨径312 m。

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）划分，工程区范围内区域地震动峰值加速度为0.10 g，对应的地震基本烈度为Ⅶ度。工程区40 m深度范围内出露的地层主要为粉土质砂和低液限黏土，局部夹含细粒土砂或高液限黏土层。地基土为不液化土。地基承载力fa0建议值为80～370 kPa，地基承载力较低。

工程区地处欧亚大陆腹地，属暖温带大陆性气候，干旱少雨，蒸发强烈。平原区年平均降雨量160～230 mm，多年平均蒸发量1500～2300 mm，年平均气温5.5～7℃，极端最高气温38.3℃，极端最低气温-5.9℃。

2 桥梁总体设计

托管桥结构安全等级为一级，主体结构使用年限100 a，栏杆、支座等附属结构15 a，钢结构防腐涂装年限15 a。抗震设防类别为C 类，抗震措施等级为二级。

托管桥以输水功能为主，桥面较窄，从节省投资角度出发，采用变截面连续钢箱梁，其工程量减少较多，经济性较好。跨径布置为81+150+81 m，桥梁总长312 m（见图1），其功能是承载一根内径为1.8 m 的输水钢管安全跨越输水干渠。桥面宽度6.0 m（见图2），梁底宽3.5 m，两侧悬臂翼缘板宽1.25 m，整幅修建。横断面布置为0.25 m（栏杆）+1.25 m（检修通道）+3.0 m（供水管区）+1.25 m（检修通道）+0.25 m（栏杆），桥面不设横坡。

图1 312 m托管桥纵断面图

图2 托管桥横断面图

3 荷载取值及计算模型

3.1 计算荷载

结构分析按空间梁单元模拟，栏杆、管道等结构均不考虑参与受力，仅作为外荷载考虑。除结构自重由程序内部自动考虑外，其他结构恒载见表1。

表1 其他结构恒载荷载取值

3.2 计算模型

采用Midas Civil 软件建模进行计算分析，采用空间梁单元进行结构模拟。钢箱梁模型及边界条件见图3。

图3 钢箱梁模型及边界条件图

4 钢构件强度、刚度验算

4.1 主梁强度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2019对主梁按受弯构件进行基本组合下强度验算，受拉翼缘采用考虑剪力滞影响后有效截面，受压翼缘采用同时考虑剪力滞和局部温度影响后有效截面。

实腹式拉弯、压弯构件强度应满足下式规定：

其中

式中：Nd为轴心力设计值；My、Mz分别为绕y轴和z轴的弯矩设计值；Aeff为有效截面面积，其中，受拉翼缘仅考虑剪力滞影响，受压翼缘同时考虑剪力滞和均布稳定影响；Wy,eff、Wz,eff分别为有效截面相对于y轴和z轴的截面模量，其中受拉翼缘仅考虑剪力滞影响，受压翼缘同时考虑剪力滞和局部稳定影响；ey、ez分别为轴力对y轴和z轴的偏心距。

强度验算截面包括一般位置和支点位置两种，其中一般位置处，梁顶板、底板、腹板厚度分别为16、18、14 mm；支点位置选取中墩支撑处截面，其顶板、底板、腹板厚度分别为16、25、18 mm。构件强度计算结果见表2。

表2 构件强度计算结果表

通过计算可知，基本组合下主梁强度满足要求。

4.2 主梁抗剪强度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2019）对主梁按受弯构件进行基本组合下抗剪强度验算，主梁剪应力计算结果见图4。

图4 主梁剪应力包络图

由图4 可知，基本组合下主梁剪应力最大值为36.8 MPa（标准值），位于跨中截面与中墩截面1/2部位。结果安全系数取1.1，则剪应力设计值为1.1×36.8=40.5 MPa，小于剪应力容许值[τ]=150 MPa，因此主梁抗剪强度满足要求。

4.3 主梁挠度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2019）的规定，钢桥应设置预拱度，预拱度大小应视实际需要而定，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，频遇值系数为1.0，结果见图5。

图5 自重加1/2车道荷载产生的挠度

由图5可知，主梁在自重加1/2车道荷载作用下产生的挠度为510 mm，因此钢桥宜设置510 mm 的预拱度。

4.4 结构自振特性验算

桥跨结构模型采用空间静力分析模型，采用多重Ritz向量法实施特征值求解。自振模态计算结果见图6和表3。

图6 自振模态计算结果图

表3 成桥状态动力特征值

边跨竖向弯曲反对称竖向弯曲0#墩顺桥向弯曲1.156 858 1.195 611 1.1 452 897 0.864 410 0.836 392 0.688 280

通过计算可知，各跨段自振频率和自振周期满足规范要求。

4 结论

本文以新疆某长距离调水工程跨径312 m托管桥为例，介绍了大跨度变截面钢箱梁桥梁的总体设计思想。通过有限元计算，验算了托管桥结构设计满足规范要求。

（1）基本荷载组合下，主梁强度最大值为243 MPa，小于结构强度容许值270 MPa。

（2）剪应力设计值为40.5 MPa，小于剪应力容许值150 MPa，主梁抗剪强度满足要求。

（3）主梁在自重和1/2 车道荷载作用下产生的挠度为510 mm，因此钢桥宜设置510 mm的预拱度。

（4）各跨段自振频率和自振周期满足规范要求。