大跨徑敞開式鋼桁架橋設(shè)計

周成

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市200065）

1 工程概述

某橋橋位于江西省南部，是跨贛江的一座景觀橋梁。通過業(yè)主組織的方案競標(biāo)，最終選擇（70+140+140+70）m連續(xù)鋼桁架橋。

本文綜述該橋的橋型方案、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計，并對設(shè)計要點進行分析。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該橋設(shè)計荷載為汽車荷載：城-A級（按公路-Ⅰ級復(fù)核），人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）相關(guān)條文取為3.5 kN／m2計算。橋軸線與航道中心線交角為17°。橋址處為Ⅲ級航道，通航凈高要求：單向通航孔凈空：55 m×10m；雙向通航孔凈穿：110 m×10 m。

3 橋型方案及比選

根據(jù)橋址處通航凈空及河道泄洪要求，方案階段，考慮該橋既屬于航道橋又是景觀橋的綜合因素，構(gòu)思了鋼桁架橋、斜拉橋、自錨式懸索橋、拱橋4類橋式方案。經(jīng)專家評選，考慮到上下游5km范圍內(nèi)已有拱橋、斜拉橋、懸索橋，同時斜拉橋、自錨式懸索橋造價也較高，最終推薦采用敞開式鋼桁架橋。

4 總體布置

該橋為敞開式連續(xù)鋼桁架橋，主橋全長420 m，其跨徑布置為（70+140+140+70）m。橋面寬30 m，橫斷面布置為2×（2.5 m人行道+3.5 m非機動車道+3m機非分隔帶+11 m機動車道）+0.5 m中央分隔帶=40.5 m。橋梁縱坡為2.5%，豎曲線半徑為2 000 m，橋面設(shè)2.0%的雙向橫坡。該橋橋型布置見圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位∶m）

主桁主要采用雙腹桿的K形桁體系，靠近中支點處梁高較高，采用菱形腹桿。主桁及橫撐為桿系結(jié)構(gòu)，橋面板為正交異形板。中弦桿為裝飾作用，不參與受力。由于2片桁架間距較大，達到25.5 m，為增強橫向聯(lián)系，中橫梁間距為3～4 m。桁架中墩頂部處設(shè)橫撐。

5 結(jié)構(gòu)型式及特點

在對4種橋型方案進行比選之后，最終采用（70+140+140+70）m四跨鋼桁架橋梁方案。

主梁采用敞開式主桁與鋼正交異性橋面板相結(jié)合，兩片主桁僅在中支點處設(shè)置橫撐相連，此類結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)用較少。敞開式主桁由于沒有橫聯(lián)與上平聯(lián)，橋面視線更開闊，景觀效果更好。但由于兩片主桁橫向聯(lián)系薄弱，上弦跨中受壓桿件容易失穩(wěn)，從而會引起主桁整體失穩(wěn)[1～4]。設(shè)計時，通過適當(dāng)加大弦桿桿件截面尺寸、控制桿件應(yīng)力水平，可以保證主桁穩(wěn)定。

主桁下弦桿水平布置，上弦桿線型未采用常規(guī)的水平直線，而是設(shè)計成恒載彎矩圖式曲線，塑造出風(fēng)格獨特的鋼桁梁橋。同時，加高的支點處桁架也利于主桁的整體受力。橋面系采用縱、橫肋加固的正交異性鋼橋板面體系。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.1 主桁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋由兩片主桁組成，跨徑布置為（70+140+140+70）m，主桁中心距25.5 m。人行道和非機動車道設(shè)置在主桁外側(cè)，通過懸臂梁支撐，橋面總寬40.5 m。每個橋墩處兩片主桁下均設(shè)有豎向支座，縱向除中墩處設(shè)固定支座外，其余均為活動支座。主橋鋼桁梁采用整體式節(jié)點設(shè)計。整體式節(jié)點具有以下優(yōu)點：整體性好、現(xiàn)場拼接工作量小、工廠化程度高。上下弦節(jié)間為7～8 m。上弦桁高采用二次拋物線變化，中支點處桁高25 m，次支點處桁高18 m，跨中桁高8 m。主桁立面布置見圖2所示。

圖2 主桁桿件布置圖（1/2模型）

主桁弦桿全部采用焊接箱型截面，截面內(nèi)寬為1 500 mm。為便于控制桿件制造精度、降低制造難度，桿件的內(nèi)寬及高度全橋不變，下弦桿件高2 400 mm，上弦高2 000 mm。腹桿全部采用箱型截面形式，外寬為1 500 mm。弦桿的最大板厚為55 mm，腹桿的最大板厚為40 mm。主桁桿件以直代曲，成橋后下弦節(jié)點均位于設(shè)計豎曲線上。通過將恒載與1/2活載位移反向疊加進設(shè)計豎曲線中，形成制造線型供工廠制造。

6.2 縱橫梁體系

橋面系由主橫梁、次橫梁、次縱梁構(gòu)成，斷面均為焊接箱型鋼，見圖3所示。橋面系主橫梁高2 400 mm，下翼緣寬700 mm，翼緣板厚30 mm，其通過高強螺栓和拼接鋼板連接主桁節(jié)點。每2道主橫梁之間設(shè)有1道次橫梁，高2 400 mm，下翼緣寬600 mm，翼緣板厚25 mm。 次縱梁共3道，高1 200 mm，下翼緣寬400 mm。次縱梁布置在主橫梁的受壓區(qū)，以增加主橫梁的穩(wěn)定性。

6.3 橋面板

從降低恒載自重角度出發(fā)，橋面系采用無底板的鋼正交異性橋面板，橋面板厚16 mm，下設(shè)“U”形縱向加勁肋，間距600 mm，“U”形肋高280 mm，板厚8 mm。為橫向分塊起吊方便，橫向設(shè)3道小縱梁，腹板厚12 mm，高1 200 mm；底板厚16 mm，寬400 mm；腹板上端與頂板焊連。

圖3 橋梁橫斷面圖（單位∶m）

非機動車道及人行道橋面采用鋼正交異性橋面板，橋面板厚14 mm，下設(shè)鋼板加勁肋，間距360 mm，鋼板加勁肋尺寸為140 mm×12 mm。順橋向間隔1 500 mm左右設(shè)置一道橫梁，橫梁腹板厚度14 mm，底板厚16 mm，底板寬400 mm。非機動車道及人行道板設(shè)三道縱梁，縱梁頂板與主桁上翼緣焊接，腹板及底板與主桁預(yù)留板栓接，鋼板加勁也采用高強螺栓拼接。

6.4 橫向聯(lián)結(jié)

為保證桁梁橋的整體作用，增加抗扭剛度，設(shè)置了上橫撐。為克服傳統(tǒng)鋼桁架橋框架復(fù)雜、景觀性差的缺點，該橋橋面以上只在中支點位置設(shè)置橫撐。由于采用的帶縱橫梁的正交異形橋面板體系，與桁梁能夠形成空間不變形結(jié)構(gòu)，可承受水平荷載，故主桁之間不設(shè)下平聯(lián)。

7 穩(wěn)定及靜力計算

建立全橋空間模型，對結(jié)構(gòu)進行靜力分析。主桁桿件截面高度與節(jié)長之比大于1/15，節(jié)點按剛接模擬，考慮節(jié)點剛性引起的次應(yīng)力。該橋作為4跨連續(xù)敞開式鋼桁架，上弦桿除在中支點外，未設(shè)橫撐及平聯(lián)，而中跨跨中上弦桿為受壓桿件，確定其自由長度系數(shù)及計算長度，從而控制其應(yīng)力水平是該橋靜力計算的關(guān)鍵。

7.1 整體穩(wěn)定計算

敞開式主桁外形簡潔、輕盈、美觀，在設(shè)計過程中，應(yīng)特別注意全橋的整體穩(wěn)定，避免整體失穩(wěn)。將恒載與活載設(shè)為變量，對四種不同工況進行了屈曲分析計算（見表1所列）。

表1 各種工況下穩(wěn)定分析一覽表

計算結(jié)果表明：由于主橋整體剛度較大，按照上述幾種加載方式，屈曲系數(shù)均大于4，都滿足整體穩(wěn)定要求。

7.2 關(guān)鍵構(gòu)件穩(wěn)定驗算

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）中未包括敞開式主桁自由長度的計算方法，現(xiàn)按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025-86）附錄一“敞開式主桁（或主梁）的自由長度計算”計算公式：

式中：E為鋼的彈性模量；I為受壓弦桿毛截面對豎向軸的慣性矩；a為節(jié)間長度；δ為橫向半框架上節(jié)點由于單位水平力作用所產(chǎn)生的一個弦桿的最大水平位移。中跨跨中上弦桿高2 000 mm，寬1 500 mm，板厚均為25 mm。計算所得面外的回轉(zhuǎn)半徑iy=776.6 mm，面外長細比為45，對應(yīng)上弦桿的軸向受壓折減系數(shù)χ為0.745。從縱向計算模型中提取跨中的上弦桿截面的彎矩、軸力，按下述公式計算如下：

主桁壓桿均按總體穩(wěn)定計算公式計算，拉桿計算應(yīng)考慮螺栓孔對桿件截面的削弱。

8 結(jié)語

常規(guī)的帶上橫撐的鋼桁梁橋，在城市公路橋梁上并沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要是由于其框架復(fù)雜、景觀性差。而敞開式連續(xù)鋼桁架橋能夠克服此種缺點，與其他鋼桁梁橋相比該橋具有以下優(yōu)點：

（1）與其他敞開式鋼桁架橋相比，該橋跨徑較大，其主跨達140 m，而國內(nèi)的敞開式鋼桁架橋跨徑一般在60 m左右。

（2）與傳統(tǒng)鋼桁架橋相比，該橋只有在中支點位置有橫撐，削減了支點和跨中部位的彎矩值，減輕了上部結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了上部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量，下部結(jié)構(gòu)也較輕，使工程造價有所降低。

（3）該橋采用曲線式弦桿，結(jié)構(gòu)美觀，線條較為流暢，能較好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

該敞開式鋼桁架橋型的成功運用將為今后鋼桁架橋的設(shè)計提供借鑒和參考作用。

[1]小西一郎.鋼橋[M].日本：日本丸善株式會社，1976．

[2]趙廷衡.橋梁鋼結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[3]吉伯海，傅中秋.鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4]JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].