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摘要：随着我国社会经济的不断发展，城市交通量呈现跳跃式增加。原有的城市交通系统已经不能满足经济发展的需要，交通拥堵已成为我国大多数城市的通病。城市对交通设施的需求越来越大，势必要对城市路网进行改造升级，由于原有道路和既有建筑等结构的影响，各种形式的高架桥、跨线桥越来越多的出现在桥梁建设工程当中。本文以北京2022年冬奥会延庆赛区赛区连接线道路中的平交口钢箱梁为研究分析对象，分析异形钢箱梁的结构形式、各构件的布置方式以及各构件的受力特点，为以后的平交口异形钢箱梁设计总结经验。
关键词：平交口；异形钢箱梁；构造；有限元分析；板单元
一、引言
随着我国社会经济的不断发展，城市交通量呈现跳跃式增加。原有的城市交通系统已经不能满足经济日益发展的需要，交通拥堵已经成为我国大多数城市的通病。因此城市对交通设施的能力需求越来越大，现有道路的通行能力不足，势必要对城市路网进行设计改造。由于我国大多数城市已经经过了几十多年的发展，城市可用的建筑用地不足，加之原有道路和既有建筑等结构的影响，新建道路或者扩宽道路显得十分困难。因此，人们把目光投到了空中，在道路的新建及改造中，各种形式的高架桥、跨线桥越来越多的出现在桥梁建设工程当中。越来越多的匝道、分叉口及平交口出现在桥梁中。高架桥、立交桥的出现，大大解决了城市空间不足的问题，但是随着墩高的增高以及桥梁跨径的增大，桥梁的设计和施工难度也随着增加，传统的混凝土结构桥梁不再是最合适的选择，新材料、新结构形式应运而生。
钢箱梁由于自重小，钢材可以在工厂预制成多种形状，钢材本身各向同性，钢箱梁的受力明确，较混凝土异形箱梁传力更为明确，更能确保结构安全。因此，在高架桥和高空的平交口中，将越来越多的使用钢结构桥梁。本文以北京2022年冬奥会延庆赛区赛区连接线道路中的平交口钢箱梁为研究分析对象，分析异形钢箱梁的结构形式、各构件的布置方式以及各构件的受力特点，为以后的平交口异形钢箱梁设计总结经验。
二、项目概况
延庆赛区连接线总体呈南北走向，南起延崇高速为冬奥会预留立交收费站，北至延庆核心赛区安检广场，全长约2.250公里，规划为三级公路。道路路宽19.5米，设计速度30km/h。道路标准横断面为两幅路形式，中央分隔带宽1米，两侧行车道各宽8.5米，含双向4条机动车道及路缘带，两侧土路肩宽0.75米。延庆赛区连接线是连接延崇高速和赛区的道路，是整个赛区主要的进出道路。
连接线3号桥跨域松闫路、佛峪口河以及停车场支线。其中第八联采用钢箱梁异性板，其余各联均采用预应力混凝土现浇箱梁。桥梁下部桥墩采用板墩，桥墩顺桥向尺寸为2m；横桥向尺寸为3m；墩顶约10m左右设置一道横系梁。承台采用整体式承台，承台高2.65m，承台下设置8根1.6m钻孔灌注桩基础。0号桥台采用肋板台，肋板宽度为1.2m，桩基采用1.5m钻孔灌注桩基础。26号台采用重力式桥台，桩基采用1.5m钻孔灌注桩基础。
平交口钢箱梁位于全桥12#墩~13#墩位置处，两端简支于12#、13#桥墩，赛区连接线前与停车场支线T形交叉，交叉口从箱梁中心位置凸出，并简支于停车场支线0#桥墩。异形钢箱梁平面布置及支座布置见图2.1及图2.2。因平交口两侧的道路均位于连续纵坡及小半径圆曲线上，两条道路横纵坡相交，在平交口处形成空间曲面，导致本桥的构造异常复杂。
图2.1异形钢箱梁平面布置
图2.2异形钢箱梁支座布置
三、平交口异形钢箱梁构造
在赛区连接线主线上，平交口异形钢箱梁采用多箱断面，单个钢箱宽2.8m，梁高2.0m，两侧各设1.45m挑臂。箱梁顶板厚16mm，下设200×20mm板式加劲肋，加劲肋标准间距400/360mm；箱梁底板厚16mm，箱梁底板设160×16mm板式加劲肋，加劲肋标准间距400mm；腹板厚16mm，设两道160×16mm板式加劲肋。普通横隔板标准间距2m，厚12mm，中部挖空。支承处横隔板厚24mm。每2米间距设置一道标准横向联系梁，板厚12mm，典型断面如图3.1所示。
图3.1赛区连接线典型断面图（单位：mm）
在停车场支线（即跨中凸出悬臂位置处），平交口异形钢箱梁采用双箱断面，单个钢箱宽2.8m，梁高1.973m。平交口曲线悬臂使用顶板、多道腹板与横隔板形成。箱梁顶板厚16mm，下设200×20mm板式加劲肋，加劲肋标准间距400/360mm；箱梁底板厚16mm，箱梁底板设160×16mm板式加劲肋，加劲肋标准间距400mm；腹板厚16mm，设两道160×16mm板式加劲肋。普通横隔板标准间距2m，厚12mm，中部挖空。支承处横隔板厚24mm。每2米间距设置一道标准横向联系梁，板厚12mm，典型断面如图3.2所示。
图3.2停车场支线典型断面图（单位：mm）
四、异形钢箱梁有限元计算
本桥的设计内力计算分析中主要采用板单元进行模拟计算，板式橡胶支座用6个自由度的弹性连接进行模拟，桥面铺装用实体单元模拟。有限元计算采用Midas/Civil进行结构分析计算，采用板单元和实体单元建立全联模型。全桥共59220个板单元、7078个实体单元，51563个节点。全桥模型如图4.1所示。
图4.1全桥有限元模型（单位：mm）
由于本桥位于2022年北京冬季奥运会延庆赛区主会场的主要进场道路上，政治意义重大，为保证分析结果的准确可靠，本桥的有限元模型未做任何简化处理，均按照实际的构造建立。模型包括钢箱梁顶板、底板、腹板、顶板加劲肋、底板加劲肋、腹板加劲肋以及各种横隔板及横隔板加劲肋。
五、计算结果与分析
使用MIDAS/CIVIL程序，对平交口异形钢箱梁进行有限元分析，得到钢箱梁各部位的应力及位移结果，对结构的承载能力和正常使用极限状态进行分析计算。
1、应力计算结果
根据公路桥涵钢结构规范规定，在验算钢桥的承载能力时需考虑结构安全系数及承载能力基本组合。由于本桥构造较为复杂，构造设置时，安全冗余度较大，在应力分析时，采用标准组合不考虑安全系数处理。钢箱梁各主要部位的应力结果见下图5.1~5.6，各部位应力结果见表5.1。
计算结果表明：在疲劳荷载模型II下，钢箱梁的疲劳强度满足规范要求。
六、结语
本文通过对北京2022年冬奥会延庆赛区赛区连接线道路中的平交口异形钢箱梁的结构形式、各构件的布置方式以及各构件的受力特点的计算分析，得到了以下结论：
（1）本桥主要构件（顶板、底板、腹板、横隔板、加劲肋）的应力水平均满足承载能力极限状态的要求；
（2）由于本桥为T型平交口，应着重关注主线非平交口侧的位移变形，经计算，本桥的刚度变形满足规范要求；
（3）钢箱梁各部位加劲肋在设计时，规范对其尺寸已经做出了刚度的要求，因此钢箱梁的屈曲主要体现在车辆荷载作用时。本文中将车道荷载等效为静力荷载施加在桥面上，进行屈曲验算，计算结果表明钢箱梁屈曲满足要求；
（4）平交口上车流量较大，应着重关注钢箱梁的疲劳强度问题，计算结果表明，在疲劳荷载模型I下，顶板加劲肋和横隔板的疲劳强度不满足规范要求，在疲劳荷载模型II下，钢箱梁的疲劳强度满足规范要求。
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