開敞式鋼桁梁橋的設計

張 強，李 京，馬曉剛，孔令熙

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

1 概述

南六公路此次改建范圍北起S32，南至滬南公路，全長5.9 km，紅線寬度45 m。道路等級為一級公路，橋梁荷載等級為公路-Ⅰ級。其中跨越惠新港節點采用單跨65 m的下承式簡支鋼桁梁橋，雙幅布置，單幅橋寬20 m。

2 結構設計

2.1 橋型方案

惠新港為規劃Ⅵ級航道，河口寬50 m，通航凈寬30 m，梁底控制標高不小于7.8 m。根據航道部門的要求，橋梁要求一跨過河，水中不設墩。

由于規劃航道的橋下凈空要求較大，為使橋梁整體規模適中、造價經濟，故從優化橋梁結構角度出發，要求惠新港橋結構高度盡量小。因此該節點推薦采用單跨65 m的簡支鋼桁梁結構，可有效減緩橋梁兩端接坡的坡度，滿足非機動車騎行；同時確保交叉口方案合理，實現交通出行便捷性與安全性（見圖1）。

桁架橋在橋梁結構中的應用十分廣泛，是由多個平面鋼桁架連接形成的整體空腹式空間結構。與實腹梁相比，具有剛度大、通透性好、用鋼量省、制造以及拼裝方便等優點。當城市橋梁由于凈空受限時，可采用下承式結構，有效降低梁高。

圖1 惠新港橋效果圖

鋼桁架立面剛勁有力，為使行車視野開闊，在結構設計上取消了上平縱聯，另外采用了造型美觀的華倫桁架，整體景觀性較好。該工程設計力求將桁架橋這一傳統橋型以嶄新的姿態呈現在人們面前，在繼承中體現創新，使得造型更生動現代，更加適合在城市橋梁中的使用。

2.2 結構設計

主橋上部結構采用65 m下承式簡支鋼桁架橋，主桁為兩榀華倫桁架，主桁高度為6.4 m，高跨比約為1/10，兩榀桁架中心間距為16 m（見圖2）。

主桁架中，上、下弦桿均采用箱形結構，上弦桿截面高度0.8 m，下弦桿截面高度1.3 m。節間長度為6.4 m，主桁架下弦桿間每3.2 m設置一道橫梁，橫梁高度1.3 m，下弦桿底板水平，橫梁下翼緣采用2%單向橫坡（見圖3）。

圖2 惠新港主橋總體布置圖（單位：mm）

圖3 惠新港主橋（左幅）斷面圖（單位：mm）

橋面系采用正交異性鋼橋面板，頂板設2.0%單向橫坡。鋼橋面板頂板厚14 mm，車行道范圍采用U形加勁肋，U形加勁肋標準間距為600 mm。人行道處采用板肋。上、下弦桿，端橫梁及最外側斜腹桿采用鋼箱截面，其余腹桿、中橫梁采用工字截面。桁架節點采用全焊接整體節點方案，鋼材均采用Q345qD。

鋼桁梁橋采用分段吊裝的方案，其中主桁在工廠分節段制作，運輸至現場，搭設臨時墩進行吊裝施工。臨時墩的設置需滿足水務、航道部門的要求，并結合現場實際吊裝能力綜合確定。

3 結構分析

3.1 靜力分析

采用midas Civil建立單幅橋空間計算模型，并根據現行公路鋼橋設計規范進行驗算（見圖4～圖10）。

圖4 主橋計算模型圖

圖5 基本組合下上弦桿最大應力圖（單位：MPa）

圖6 基本組合下下弦桿上緣應力圖（單位：MPa）

圖7 基本組合下下弦桿下緣應力圖（單位：MPa）

圖8 基本組合下中腹桿最大應力圖（單位：MPa）

圖9 基本組合下橫梁上緣應力圖（單位：MPa）

圖10 基本組合下橫梁下緣應力圖（單位：MPa）

基本組合作用下，結構桿件最大應力為184.8MPa，1.1×184.8 MPa＜270 MPa，滿足規范要求。

活載作用下結構最大豎向撓度為29.4 mm，29.4 mm＜L/500=130 mm，結構剛度滿足規范要求（見圖 11、圖 12）。

圖11 恒載豎向撓度（單位：mm）

圖12 活載豎向撓度（單位：mm）

3.2 穩定性分析

桁架橋分為整體穩定和局部穩定，而整體失穩主要表現為面內失穩和面外失穩。該橋為開敞式桁架結構，面外的側傾失穩問題需引起足夠重視。彈性穩定系數采用midas空間模型進行屈曲分析，同時局部穩定不應先于整體穩定發生，按照最不利作用得到結果匯總見表1。

表1 臨界荷載系數

桁架前三階均為面外失穩，第一階面外穩定系數為18.7，說明該橋型的面內穩定性較好，同時局部穩定不先于整體穩定發生，整體穩定系數滿足不小于4的要求。

同時桁架橋的受壓桿件失穩問題也不容忽視，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）進行驗算，上弦桿及腹桿的穩定均滿足要求。

3.3 抗震分析

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）及《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011），該工程的抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g，抗震設防分類為丙類，抗震設計方法采用A類，場地類型為Ⅳ類，場地特征周期為0.75 s，橋梁結構阻尼比取0.02。采用midas Civil建立鋼桁架橋抗震分析計算模型，如圖13所示。

圖13 抗震計算模型

主梁、蓋梁、橋墩均采用梁單元模擬。墩頂和蓋梁采用彈性連接中的剛性模擬，承臺近似按剛體模擬，墩底與承臺中心同樣采用彈性連接中的剛性模擬。二期恒載以均布線質量形式施加在梁單元上。

對單樁進行內力分析，采用具有6個自由度的彈簧對其進行模擬，剛度系數由m法確定，扭轉剛度取較大值2.0×106，進行E2地震作用分析時，模型中單元與連接均為彈性。

鋼桁架梁橋采用隔震設計方案，主橋支座采用鉛芯隔震橡膠支座，引橋小箱梁采用板式橡膠支座，并在橫梁處設置鉛芯隔震橡膠支座。

分析結果見表2～表4。

表2 E2地震作用下橋墩驗算 kN·m

表3 E2地震作用下樁基驗算 kN·m

表4 地震作用下支座水平位移驗算 mm

設計地震作用下，各橋墩截面在縱橋向和橫橋向地震輸入下，橋墩截面彎矩均小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態，滿足預期性能目標要求；鉛芯隔震橡膠支座及板式橡膠支座的位移能力滿足墩頂變形需求；樁基抗力滿足抗震性能要求。

3.4 橋面系結構參數化研究

為研究橋面系小縱梁剛度對開敞式桁架梁結構受力特性的影響，在下弦桿等間距設置兩根小縱梁（只計入剛度，不計重量），以小縱梁高度為計算參數，對以下三個工況進行分析：

工況1：不設置小縱梁。工況2：設置兩根小縱梁，小縱梁梁高0.6 m。工況3：設置兩根小縱梁，小縱梁梁高1.3 m。

3.4.1 對端橫梁的影響

從表5可以看出，隨著小縱梁梁高的增大，端橫梁內力在恒載作用下逐漸增大，在活載作用下逐漸減小，說明通過設置小縱梁，可增大端橫梁的恒載分配比例，并小幅提高端橫梁對活載的橫向分配。

表5 小縱梁對端橫梁受力的影響

3.4.2 對中橫梁的影響

從表6可以看出，隨著小縱梁高度的增大，中橫梁內力在恒載作用下變化不大，在活載作用下則明顯減小，說明通過設置小縱梁，可提高中橫梁對活載的橫向分配。

表6 小縱梁對中橫梁受力的影響

設計最終采用不設置小縱梁的方案，可以滿足結構的受力要求，施工方便。

4 結 語

通過對開敞式鋼桁梁橋的靜力、穩定性、抗震進行分析，得出以下結論：

（1）下承式簡支鋼桁梁橋的結構高度較低、景觀性較好，可在城市橋梁中推廣采用。

（2）開敞式桁梁橋結構受力較好、剛度較大、空間穩定滿足要求、抗震性能好。

（3）橋面系小縱梁可增大端橫梁的恒載分配比例，提高中橫梁的活載橫向分配，在橋面寬度較大時，可通過設置小縱梁減小橫梁受力。