曲線上100m簡支桁架橋梁設計研究

吳孫堯

（上海同豪土木工程咨詢有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著鋼結構橋梁建設的不斷發展，鋼桁架橋以其承載力大、跨越能力強、造型美觀等優勢，逐漸成為鋼結構橋梁的重要推廣橋型[1]，尤其在結構跨徑80～150 m 且橋面建筑高度受限時，下承式簡支鋼桁架橋在功能、經濟、美觀等方面均較突出，因此往往成為結構跨越方案的首選。

本文以一座位于緩和曲線上的主孔100 m 的簡支鋼桁架橋為例，探討了其設計要點，為類似工程設計提供借鑒。

1 橋梁總體布置

某匝道橋位于緩和曲線上，為跨越現役都香高速主線而設，匝道全寬12.25 m。橋梁與都香高速線路呈斜交40°，現役高速公路不允許長時間封閉交通，因此沒有落墩條件，需100 m 左右一孔跨越，且橋梁縱斷面凈空非常緊張。根據以上限制條件，采用總體方案為下承式簡支鋼桁架。為盡可能地減少封閉交通的時間，工法采用步履式頂推施工。總體布置情況見圖1～ 圖3，鋼桁架自重11 275 t,鋼材采用Q355D。

圖1 桁架橋平面布置（單位：cm）

圖2 桁架橋立面布置（單位：cm）

圖3 桁架橋斷面布置（單位：mm）

橋梁全長100 m，橋寬12.25 m，單幅布置。主桁采用帶豎桿的等高度三角形桁式，桁高12 m，高跨比為1/8.33。主桁中心距為16.2 m，縱向共12 個節間，標準節間長度8 m。

主桁弦桿、橋門架采用箱形截面，腹桿、上平聯、橫梁均采用H 型斷面。橋門架采用單梁式框架結構。桿件主要截面尺寸見表1。

表1 桁架桿件尺寸表 單位：mm

橋面系采用縱橫梁體系，不設下平聯。橋面采用現澆混凝土板，板厚為25 cm，支點加腋至35 cm。橋面鋪裝采用10 cm 瀝青鋪裝。

鋼桁架總體施工方案為工廠焊接、現場以栓接為主。主桁采用整體式節點，其桿件均采用現場栓接；橫梁與主桁連接、縱梁與橫梁連接均采用現場栓接；平聯采用現場焊接。

2 設計要點

2.1 平曲線與超高的處理方式

本橋平曲線位于緩和曲線上，靠近0 號臺附近曲線半徑僅220 m，桁架平面線型設計有兩種方案。方案一為曲橋直做，方案二為直接做一個曲線桁架橋。考慮到桁架結構上下弦桿以軸向變形為主，且抗扭能力較差，本橋曲線半徑過小，單孔跨徑也較大,綜合考慮后采用方案一，即以直代曲做法。

為包絡匝道橋外輪廓線，確定最經濟的桁架寬度，桁架中心距由此確定為16.2 m，混凝土板寬15 m，弦桿寬度60 cm，預留操作空間30 cm（見圖4）。

圖4 桁架以直代曲做法平面示意圖（單位：cm）

防撞護欄有兩種布置方式（見圖5）。方案一是同桁架平行做成直線，并沿著匝道路線輪廓線設置水馬等活動護欄。這種設置在匝道上具備可行性，因為匝道的路線設計車速僅40 km/h。其優點是結構施工簡單，受力也比較明確，構造之間的關系簡潔。其缺點是橋頭處的永久護欄與道路護欄銜接不順暢，存在車輛正面撞擊護欄的風險。

圖5 防撞護欄設計方案（單位：cm）

方案二是直接沿著匝道輪廓線設置永久防撞護欄。其優點是防撞設施與路線一致，缺點是橋面系結構較復雜，施工放樣難度相對較大，且陰影區域鋪裝處理、排水均較麻煩。

本匝道橋位于超高漸變段上，縱斷面位于3.95%的直線段上。為了便于桁架加工和現場頂推施工，考慮將主桁架平做（不設縱坡和橫坡），超高漸變通過縱梁與橫梁連接的高度變化實現（見圖6）。

圖6 超高漸變的構造處理方案（單位：cm）

2.2 縱向受力體系的處理方法

為了明確結構以主桁作為受力結構，以縱橫梁體系僅作為傳力結構，應盡可能避免或減少縱橫梁體系參與整體受力。

由于主桁在豎向荷載作用下，下弦桿受拉后軸向伸長，橫梁在縱橋向的變形將受到縱梁的約束，因此縱梁會參與受拉，而橫梁將產生較大的面外彎曲變形，對橫梁的受力不利，結構整體受力和傳力路徑復雜，降低了結構的整體可靠度。為了盡可能改善這種情況，需要釋放縱梁的軸向約束。

釋放縱梁軸向約束的方式有兩種。第一種方法是先釋放后固定。該方法采用焊接連接實現較困難，因此考慮采用栓接。縱梁與橫梁栓接時，一側直接擰緊，另一側開長孔先不終擰，在桁架鋼結構架設完成、橋面混凝土板施工完成后，將長孔一側螺栓終擰，最終成為橫梁和縱梁固結體系。該方案僅少量的二期和活載作用下，縱橫梁參與橋軸向的受力（見圖7）。其缺點是頂推完成之后需要局部臨時封道做終擰的工序。

圖7 桁架縱向兩階段變形協調特性

第二種方法是軸向體系一次成型，橋中設斷縫。縱梁直接與橫梁焊接，但在橋跨中央將縱梁與橫梁釋放梁端軸向約束（可通過栓接實現），混凝土板直接做斷縫，并設置橋面伸縮縫。

由圖8、圖9 可見，設縫后弦桿和縱梁的受力分配發生變化，橫梁面外彎矩總體上均明顯改善，結構受力更加明確。

圖8 弦桿和縱梁軸向應力比較

圖9 橫梁面外彎曲應力比較

2.3 伸縮縫型號選擇

與普通梁式橋不同的是，桁架橋下弦桿以軸拉為主。在自重和活載等豎向力作用下，下弦桿本身會有較大的軸向伸長，因此伸縮縫設置時，除了考慮常規的溫度力、制動力、風等水平荷載外，還要額外考慮下弦桿在豎向力作用下的變形。此外，簡支桁架橋往往一端設固定支座，另一端為活動支座，因此活動端的變形將控制伸縮縫的選型。

本橋桁架的伸縮縫開口量、閉口量見表2。

表2 桁架活動端水平位移值 單位：mm

由表2 可知，總閉口量為71.3 mm，開口量為27.6，開閉口共計98.9 mm。按照規范[2]考慮β=1.3 的安全系數后，C=98.9×1.3=128.6 mm。由此本橋考慮梁端設結構縫80mm，伸縮縫型號選擇D160 型。另外，更需要注意的是，豎向荷載對閉口值的貢獻占60%，對開閉口總量貢獻占40%以上。因此，伸縮縫選型和梁端結構留縫時，要充分考慮豎向荷載的影響。

2.4 栓接節點設計要點

總體方案采用工廠焊接，現場栓接。拼接運輸節段按8～14 m 一段控制（見圖10）。

圖10 桁架節段總體劃分示意圖（單位：mm）

主桁節點均采用整體式節點板，節點板厚度同弦桿腹板厚，節點板高度由其法向應力和拼接桿件的構造要求控制。主桁架采用板件等強連接原則確定螺栓數量，并按規范對拼板和螺栓考慮10%的富裕[3-4]（見圖11）。

圖11 上弦桿節點示意圖（單位：mm）

本橋主桁架總重量為750 t，鋼結構總量1 275 t，節點重量約225 t，約占主桁架重量30%。因此，結構分析時，應充分估算栓接節點重量對結構受力的影響。

2.5 施工方案

本橋跨越現役都香高速公路主線，下穿路沒有臨時支撐條件，考慮采用步履式頂推施工。從兩側橋頭情況來看，1 號臺側更適合作為頂推場地，因此考慮從1 號臺側往0 號臺側方向頂推，頂推重量為1 355 t（鋼桁架重1 275 t，鋼導梁重80 t），頂推力約256.8 t。

式中：K 為安全系數，取1.5；G 為頂推總重；μ 為摩阻系數，取0.1；i 為頂推滑道坡度。

頂推施工主要工序分為四步，見圖12。

圖12 頂推施工工序圖（單位：cm）

3 結構有限元分析

采用Midas Civil 2020 建立有限元模型，采用橋博V4.3 校核。有限元模型見圖13。桁架桿件均采用梁單元模擬，上下弦桿、端斜桿采用剛接模擬，余桿件采用鉸接模擬，釋放桿件梁端的彎曲自由度；橫梁和主桁采用鉸接連接。

圖13 桁架結構有限元模型

考慮的荷載主要有結構恒載、二期、整體升降溫、風荷載、汽車活載等。

靜力作用下，主桁桿件的主要效應見表3。

表3 主桁桿件的主要效應

結構的動力特性見圖14，一階側彎基頻為0.73 Hz，一階豎彎基頻為1.6 Hz。

圖14 結構動力特性

表3 中應力已考慮壓桿局部穩定和整體穩定折減。由表3 可見，通過截面設計，桁架的整體應力水平基本控制在220 MPa 左右。拉桿扣除螺栓孔后，其凈截面應力水平也在安全范圍內。從撓度來看，26.1 mm＜L/600[2]=166.7 mm，桁架結構豎向剛度一般不控制設計。

4 結語

經過以上分析，可以得出以下結論：

（1）桁架橋總體布置時，應著重考慮橋梁的施工方式。在平曲線半徑小于300 m 的曲線上做桁架橋，宜通過曲橋直做實現，橋面超高可由橋面系來調整，桁架宜做成平坡結構。

（2）桁架設計時，應盡可能避免橋面縱橫梁參與同主桁共同承受軸向力，宜通過構造措施降低其影響。

（3）簡支桁架橋在伸縮縫設計時，豎向荷載對結構閉口量的影響是不可忽略的，將直接影響結構伸縮縫選型和結構縫的設定。

（4）桁架結構采用栓接時，拼接處節點重量是不可忽略的因素，可占主桁架的25%～30%。對于公路橋，疲勞并不控制結構設計，因此采用焊接方式，經濟性更加突出。

（5）本研究可為其他同類型桁架橋工程設計提供借鑒。