公路下承式簡支鋼桁梁橋設計淺析

李智　江克斌

摘 要：在中等跨徑的橋型方案選擇中，鋼桁梁橋因具備建筑高度低、架設速度快、凸顯景觀效果等優(yōu)勢被越來越多的建設者所青睞，本文以京杭運河泗陽閘橋及接線改造工程中的一二三線船閘橋為例，介紹了該類橋梁的構造及計算要點，希望能對今后同類型橋梁的建設提供有益參考。

關鍵詞：公路橋；鋼橋；桁架橋；結合梁；橋梁設計

1 前言

下承式簡支鋼桁架橋在鐵路橋梁中應用較為普遍，我國在20世紀60年代就制定了跨度24～120m的鐵路下承桁梁橋的標準設計，而在公路及市政領域應用較少。隨著我國鋼產量的增加和鋼材防腐技術的進步，在公路領域特別是城市道路中選用鋼桁架橋不僅可以適應當今快速、重載交通的要求，同時由于在減小建筑高度、減輕結構自重、縮短橋頭接線等方面具有明顯的優(yōu)勢，所以在一些特定的橋位與限制條件（滿足通航凈空的同時滿足橋頭縱坡、高度震區(qū)等）下，該橋型往往會成為既經濟又美觀的合理選擇。

2 概述

京杭運河泗陽閘橋及接線改造工程中的一二三線船閘公路橋位于七度震區(qū)，為避免新橋樁基與船閘結構物沖突且同時滿足通航（二級航道）和降低橋頭縱坡的要求，主橋需要采用50m左右跨徑的橋梁，混凝土連續(xù)梁由于其建筑高度高、聯(lián)長長，不能同時滿足該處的幾項限制條件；由于該橋臨近縣中心區(qū)域，業(yè)主對景觀也提出了較高要求，下承式鋼桁架橋方案在此橋位處優(yōu)勢明顯，橋梁總體布置見圖1～2。

3 主要技術標準

3.1設計標準

參照一級公路標準，斷面采用分離式雙向四車道，設計行車速度60Km/h，人行道寬1.5m。

3.2線路情況

橋梁平面位于直線段上，豎向最大縱坡為2.8%。

3.3橋梁凈空

橋梁凈空按現(xiàn)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》中規(guī)定的一級公路凈空高度的要求執(zhí)行，橋面以上有效車行道凈高不小于5.0m。

3.4設計荷載

（1）恒載：恒載根據(jù)鋼桁梁實際截面與容重計算，考慮構造、拼接和焊縫等結構系數(shù)；

（2）活載：公路-I級，人群荷載3.5KN/m2；

（3）疲勞計算沖擊系數(shù)：1+15/（37.5+L）；

（4）制動力、縱橫向風力：參照《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）計算；

（5）溫度荷載：

①系統(tǒng)溫差——按體系升降溫±25℃考慮；

②日照溫差——按照一側主桁升降溫±5℃考慮。

4 設計要點

4.1結構構造

主橋采用下承式簡支桁架橋，上部主體結構由2片主桁、聯(lián)接系、橋面系、橋面板四部分組成，主要桿件節(jié)點采用M24高強螺栓連接，設計預緊力240KN。橋面縱坡及預拱度通過上、下弦桿采用不同節(jié)間長度形成。

（1）主桁架

主桁是鋼桁架橋的主要承重結構，主要承受豎向荷載。他的圖式很多，按照經濟、構造簡單、有利于標準化與便于制造安裝的選取原則，本橋選擇了鐵路橋梁標準設計中常用的帶豎桿的三角形腹桿體系，計算跨徑49.0m，主桁高度8m（經濟梁高約為跨徑的1/5.5～1/8）；全橋共分為8個節(jié)間，每個節(jié)間長度6.125m（合理的節(jié)間長度為0.6～0.8h），高跨比為1/6.125，斜腹桿傾角為52.6°（合理傾角為50°左右）。兩片主桁的中心距為11.7m，寬跨比為1：4.2。

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，截面寬500mm，高均為580mm；腹桿均采用焊接H形截面，截面寬400mm，高500mm，所有桿件均采用工廠焊接，在工地通過節(jié)點板用高強螺栓拼接。聯(lián)接系桿件多采用H型鋼而非工字鋼，主要是由于本期主要桿件均采用高強螺栓連接，相比之下H型鋼具有寬且平的翼緣，容易滿足要求且便于施工。

（2）聯(lián)接系

聯(lián)接系分為縱向與橫向兩種，主要作用是將兩片主桁架連接起來，使橋跨結構從體系上成為穩(wěn)定的空間結構，增強側向剛度和抗扭剛度，能承受各種橫向荷載。

上、下平縱聯(lián)均采用X形式，與弦桿在節(jié)點處相連，桿件斷面均采用H型鋼；橫聯(lián)每隔兩個節(jié)點設置一道，橋門架采用箱型閉合焊接截面，中橫聯(lián)采用H型截面。

（3）橋面系

橋面系是由橫梁、次橫梁及縱梁構成的梁格系，橋面系以上部分荷載由橋面板傳至縱、橫梁，再由橫梁通過節(jié)點傳遞至桁架桿件。

均采用工型截面，縱梁梁高400mm，橫向間隔2m，共設6道；橫梁梁高800mm，順橋向沿節(jié)點共設9道，橫梁采用高強螺栓與主桁連接。

（4）橋面板

橋面板采用鋼筋混凝土結構，板厚18cm，與橋面系縱、橫梁相交處設置承托，板厚增至25cm。鋼縱、橫梁上翼緣頂面設置圓柱頭焊釘連接件，與橋面板通過預留的接縫現(xiàn)澆混凝土相連。

本橋采用的鋼-混組合行車道系具有橋面恒載小，吊裝重量輕、建筑高度低、橋面系剛度大等優(yōu)點。

4.2結構計算

（1）主桁計算

計算分別采用面內平面桿系和整體空間桿系兩種建模方法進行有限元分析。平面模型采用橋梁博士進行計算，活載的橫向分布系數(shù)按杠桿原理計算，沖擊系數(shù)取1+15/（37.5+L）；空間模型采用MIDAS-Civil程序建模分析，將鋼桁架和縱橫梁離散為梁單元，不考慮橋面板參與作用（后文做專項對比分析），兩種方法的應力計算結果見下表。

（2）主桁節(jié)點計算

節(jié)點計算主要包括桿件連接計算與節(jié)點強度檢算。

（1）桿件連接計算

主桁桿端連接螺栓的個數(shù)與弦桿拼接螺栓的個數(shù)均采用承載能力計算，對聯(lián)接系等不承受活載的桿件以及受活載影響較小的次要桿件，連接螺栓按桿件內力計算。

（2）節(jié)點強度驗算

目前對節(jié)點板計算尚無比較簡便的精確計算方法，在設計節(jié)點板時，首先按照經驗確定節(jié)點板的厚度，再根據(jù)釘孔布置確定節(jié)點板的外形及尺寸，最后采用近似方法檢算。驗算的內容包括根據(jù)判斷的可能破裂面對應的進行：節(jié)點板撕破強度檢算、節(jié)點板中心豎直截面的法向應力檢算、節(jié)點板水平截面的剪應力檢算。

（3）橋面系與橋面板計算

本次設計直接利用MIDAS模擬下弦桿、縱梁、橫梁組成的空間梁格系，按最不利的加載位置求出最大設計內力，這里需要注意的是縱、橫梁構件的截面宜按照鋼-混組合梁進行使用階段的鋼梁上下緣應力、混凝土翼板壓應力、撓度、強度及穩(wěn)定性（整體與局部）驗算，對縱橫梁上的剪力鍵焊釘數(shù)量確定最好采用彈性分析法與塑性分析法對比計算；橋面板按照多跨連續(xù)板計算跨中和支點配筋，滿足現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范即可。

（4）聯(lián)結系計算

聯(lián)結系的計算思路同橋面系，但是計算荷載只考慮橫向力與水平向力。在構造上由于平縱聯(lián)與主桁上、下弦桿之間可以傳遞位移，這會在斜桿內產生相當大的內力，計算中這個力不能忽略，這一點在公路與鐵路橋梁設計規(guī)范中均有比較精確的計算公式。

（5）預拱度

預拱度的設置是下承式簡支鋼桁架橋在設計與拼裝過程中需要關注的一個重點，預拱度值的計算方法在公路與鐵路鋼橋規(guī)范中都是一致的，即預拱度值f=恒載撓度值+1/2靜活載撓度值（不計沖擊），預拱度一般做成圓弧形，圓弧半徑可通過上式計算確定的預拱度值f或者上弦桿每個節(jié)長的延伸量△（結合相應材質、對應溫度的線膨脹系數(shù)取值）來反推，習慣上取拱值偏大的做法。

5 結語

本文扼要的介紹了泗陽一二三線船閘橋的構造與設計要點，對比了適用于該橋型的不同計算方法，為今后同類型橋梁的設計提供了參考。

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