鋼桁架梁路面體系在蓋挖車站中的應用分析

尹筱琴（中國鐵路設計集團有限公司，廣東深圳，518000）

1 工程概況

沈陽地鐵淮河街站為九、十號線同期實施換乘車站，九號線車站與十號線形成L型換乘。西南角為城市街心花園-淮河園，站點周邊基本為居民區。崇山西路為沈陽市一環道路，雙向十車道；淮河街雙向六車道。十號線車站為地下雙層三跨矩形框架結構，車站主體采用明挖法施工。九號線車站為地下三層三跨矩形框架結構，車站總長約165m，標準段寬度22.7m，頂板覆土約4.6m，底板埋深約24.8 m，基坑寬22.8～26.8 m，車站主體采用蓋挖順做法施工。

受場地周邊交通條件限制，施工期間，淮河街南北向須保持路面車輛正常通行，所以，主體基坑第一道鋼支撐采用鋼桁架梁與150mm厚C30混凝土板的組合結構。鋼桁架梁采用橫向間距0.8m的搭設方式（詳見圖1），搭設總寬度11.72m，跨度28m，選用的鋼桁架梁高度為1.51m。

圖1 鋼桁架梁現場照片

本文主要通過Midas Civil軟件建模分析，對車輛通行過程中鋼桁架梁的強度和穩定性進行驗算。

2 計算模型

鋼桁架梁整體計算模型詳見圖2，局部大樣詳見圖3。

圖2 整體計算模型

圖3 鋼桁架梁一榀大樣（局部）

（1） 鋼桁架梁桁架部分按梁單元模擬。單元屬性設定為16Mn鋼。將鋼桁架梁桁架結構適當簡化后，加強三角主弦桿采用槽鋼［16b、主斜桿采用槽鋼［8、豎桿采用∟50×5；端構件主弦桿采用槽鋼［16a、主斜桿采用槽鋼［10；豎桿采用［8；榀內角鋼均采用∟50×5；榀間連桿采用24鋼管模擬[1]。

（2） 橋面板按板單元（厚板）模擬。單元屬性設定為C30混凝土，板厚15cm。

（3） 橋面板與鋼桁架梁之間建立1cm高桁架單元（無重量）。桁架單元用于將鋼桁架梁梁單元與橋面板板單元連接。

（4）根據鋼桁架梁各構件間鉸接剛接實際情況設定節點固結或相應釋放梁端約束。

（5）鋼桁架梁底端邊緣節點為簡支約束。

3 荷載與荷載組合

因該特種鋼桁架梁各項性能指標均在現行鋼橋設計規范編訂之前，因此，本文驗算時仍以《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)[1]、《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）[2]為比對依據。

（1） 荷載組合。本荷載組合根據《鋼結構設計規范》，其3.1.4條規定：“按承載能力極限狀態設計鋼結構時，應考慮荷載效應的基本組合”。

荷載組合：1.2×自重+1.2×恒荷載+1.4×汽車荷載+1.4×溫度。

（2）結構重要性系數。本鋼桁架梁為臨時性結構，結構重要性系數取1.0。

（3） 汽車荷載。以公路-I級車道荷載計算，根據實際道路通行條件，在鋼桁架梁中線一側，三車道偏心加載。

（4） 汽車荷載沖擊系數。采用MIDAS CIVIL計算結構基頻為8.1，計算得汽車沖擊系數0.354。

4 承載能力分析

在三車道偏載的荷載組合作用下：上弦最大軸力組合值為552kN(壓)，下弦最大軸力組合值為572kN(拉)；斜桿最大軸力為206kN(壓)；詳見圖4。

圖4 荷載組合下桿件軸力

對比鋼桁架梁手冊中桿件承載力數值：

上弦桿 552kN(壓)≤1420/2=710kN；下弦桿572kN(拉)≤1400/2=700kN；斜桿 206kN(壓)≤420/2=210，均滿足要求。

對比《鋼結構設計規范》，查規范3.4.1中Q345鋼抗拉、抗壓強度設計值為310MPa，上下弦桿[16b截面面積為2 510mm2，f×A=778.1kN；斜桿[8截面面積為1 020mm2，f×A=316.2kN。同樣均滿足要求。

5 穩定性分析

（1） 橫向剛度。根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》1.2.11規定，鋼結構橋梁跨長不宜超過主梁中距20倍。鋼桁架梁中距0.8m，0.8×20=16m＞11.72m，橫向剛度滿足要求。

（2） 豎向撓度。

（a） 根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》1.1.6規定，橋梁容許撓度值為L/800=28000/800=35mm。本工程中，由自重、鋪裝恒載引起的最大豎向撓度值為31mm，由三車道汽車偏載引起的最大豎向撓度值為55mm，已不滿足規范要求。

（b） 但《鋼結構設計規范》3.5雖然對鋼橋變形容許值沒有明確規定，3.5.1中條文“當有實踐經驗或有特殊要求時，可根據不影響正常使用和觀感的原則對附錄A的規定進行適當地調整。”依據《鋼結構設計規范》，則鋼桁架梁豎向撓度是否符合要求尚須進一步研究。

（c）預拱度的計算方法《鋼結構設計規范》與《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》相同，均為“恒載標準值加1/2活載標準值所產生的撓度值”。本工程計算后得預拱度為31+55/2=58.5mm。

（3）局部穩定性。穩定性根據《鋼結構設計規范》第5章計算，其計算數據采用荷載組合數據，計算結果與Q345鋼的設計參數對比。

在車道面內，鋼桁架梁剛性節點處雖存在彎矩，其桿件內彎矩最大值僅為8.5kN·m，彎矩很小（詳見圖5），驗算穩定性時近似按軸心受壓構件計算。

圖5 荷載組合下桿件彎矩

（a） 上下弦桿。弦桿回轉半徑=6.1cm，再由規范5.3.2得出：

b類截面，查表得φ=0.901

弦桿穩定性滿足要求。

（b）主要斜桿。主要斜桿回轉半徑=3.15cm。

b類截面，查表得φ=0.905

主要斜桿穩定性滿足要求。

（4） 構造要求。《鋼結構設計規范》5.3.8中要求容許長細比為150，鋼桁架梁各桿件均滿足要求。

6 結論

在三車道偏心加載情況下：

（1） 根據《鋼結構設計規范》分析，鋼桁架梁承載能力、穩定性均滿足要求。

（2） 根據鋼桁架梁主桁結構的材質、斷面特性和承載力分析，鋼桁架梁上下弦桿承載能力滿足要求，斜桿承載力雖滿足要求，但安全貯備不大。

（3） 根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》分析，鋼桁架梁承載能力、橫向剛度滿足要求，但豎向撓度不滿足要求。

7 建議

（1）本地鐵車站蓋挖施工方案選用鋼桁架梁橫向搭設，其承載能力滿足要求。但應適當加強鋼桁架梁斜桿強度，選用［12或更高規格斜桿。

（2）鋼桁架梁使用過程中產生較大的豎向撓度變形，應做好適時監測和檢查，確保各桿件之間連接穩固。同時，可對路面通行車輛提出適當的限載要求。

（3） 在鋼桁架梁安裝時，設置58.5mm的預拱度。