鋼桁架棧橋設計方法探析

田 勇

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司 陜西西安 710054)

0 引言

隨著經濟發展，越來越多管線跨越公路、鐵路、河流，跨度也越來越大，混凝土跨越結構已不能滿足建設要求。鋼桁架棧橋由于自重輕、造價合理、施工速度快等優點，得到了比較廣泛的應用。

本文以某跨越鐵路線的輸電線路棧橋的設計過程為例，結合建筑結構、電力、煤炭、公路等相關規范提出的設計方法，對鋼結構棧橋設計過程中，在采用平面桁架力學模型的情況下，進行分析，針對鋼桁架棧橋的結構特點，提出設計思路和相關構造措施，以便于最終確保結構安全和經濟合理。

1 概況

某電力公司輸電線路需橫跨某鐵路線，采取棧橋形式跨越此鐵路線。此棧橋跨度達到45 m，采用鋼桁架棧橋結構形式。棧橋上面設置彩鋼板屋面，下面鋪走道板，兩側設置彩鋼板封閉如圖1所示。

圖1 棧橋示意圖

1.1 棧橋形式的確定

該工程跨度為45 m，采用鋼桁架結構，這種形式安全可靠，經濟合理。

1.2 結構形式

此類鋼桁架棧橋，是由兩側豎向主桁架和上下兩個水平桁架組成的空間結構。豎向桁架是棧橋的主要承重結構，水平桁架使豎向桁架形成空間穩定的受力結構。為了增加棧橋的抗扭剛度，提高橫斷面的穩定性，確保兩片主桁架共同受力，桁架跨中還要設置橫向垂直支撐，如圖2所示。

圖2 鋼桁架棧橋組成

1.3 桁架截面形式

鋼桁架截面形式最常用的是雙角鋼拼接桁架。當荷載較大時，可采用剖分T型鋼或H型鋼，代替雙角鋼作為桁架的上下弦。該工程采雙角鋼拼接桁架。

另一種是鋼管桁架，近些年有很多應用的實例。方鋼管做的桁架不多見，原因是方管和矩形管多為冷彎成型的高頻焊接鋼管，此類管材通常存在殘余應力和冷作硬化現象，低溫地區的外露結構不能采用。

2 棧橋高度和寬度的確定

主桁架高度，可根據荷載情況，取其跨度的1/10～1/14。水平寬度與棧橋的橫向剛度和穩定有關，可比豎向高度略小，但不宜小于跨度的1/17～1/20。該工程高度取3.75 m，為跨度的1/12；寬度取3.2 m，約為跨度的1/14；滿足工藝要求的凈寬和凈高。

3 桁架結構布置

3.1 主桁架腹桿布置

由于拉桿和壓桿的長細比限值不同，為了合理利用桿件的受力特性，腹桿采用端斜桿受壓的單斜式布置方式。這樣除了端斜桿受壓，其余斜桿均收拉，較短的豎桿均受壓。端斜桿受到壓力較大，設計時應保證其安全，加強其構造措施。

3.2 節間數的確定

一般考慮節間取偶數個，并結合斜腹桿與弦桿的夾角綜合考慮。斜腹桿與弦桿的夾角一般應在35°～55°之間,最佳為45°。本工程取12個節間，節間長度為3.75 m。

節間數如果是奇數個，正中間的斜腹桿則應布置成交叉型。

3.3 水平支撐結構布置

棧橋的上下弦縱向水平支撐一般應沿棧橋通長設置，如圖2所示。

4 結構分析

4.1 計算方法

鋼桁架棧橋的簡化計算方法，是將空間桁架分解成若干個平面，按主桁架、上下水平支撐等分別按鉸接桁架進行計算。

4.2 計算模型假定

根據《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)[1](以下簡稱《鋼標》)規定：計算桁架桿件軸力時可采用節點鉸接假定；采用節點板連接的桁架腹桿及荷載作用于節點的弦桿，其桿件截面為單角鋼、雙角鋼或T形鋼時，可不考慮節點剛性引起的彎矩效應。本工程滿足此假定，按弦桿和腹桿均為鉸接的桁架計算。

上下水平支撐為有交叉斜腹桿的桁架，通常將斜腹桿視為柔性系桿，按拉桿設計；與交叉斜桿連接的豎桿按壓桿設計，如圖3所示。

圖3 計算簡圖

5 荷載計算

5.1 豎向荷載

荷載傳遞路線：

屋面板→屋面橫梁(上弦水平支撐直腹桿)→桁架上弦節點→支座；

走道板→走道橫梁(下弦水平支撐直腹桿)→桁架下弦節點→支座。

主桁架上下弦節點集中荷載:P=0.5qdB(kN)。

式中:q——屋面或走道荷載(kN/m2)；

d——桁架節間距離(m)；

B——桁架寬度(m)。

5.2 水平荷載

荷載傳遞路線：外墻板→上下水平支撐→上下弦桿→端門架→支座。

一般認為，上、下水平支撐各承擔一半水平荷載。

5.3 雪荷載和風荷載取值

鋼桁架結構自重較輕，屬于對雪荷載和風荷載敏感的結構。基本雪壓根據《建筑結構荷載規范》(GB5009-2012)[2](以下簡稱《荷載規范》),對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓。

基本風壓《荷載規范》指出：“對風荷載比較敏感的的結構，基本風壓的取值應適當提高”，本文建議取100年重現期的風壓。

風荷載標準值:wk=βzμsμzw0(kN/m2)

式中：w0——基本風壓；(kN/m2)；

μz——風壓高度變化系數；

μs——風荷載體型系數。《荷載規范》中沒有此類棧橋的體型系數，可以參考《火力發電廠土建結構設計技術規程》(DL5022-2012)[3]，其中給出了封閉式運煤棧橋的體型系數，迎風面+1.0，背風面-0.7。

βz——高度z處的風振系數，《荷載規范》第8.4.2條規定對于風敏感的結構應考慮風振的影響,可取1.3[2]。

屋面支撐或走道支撐作用于節點的風荷載：

W=0.5dHwk(kN)

式中：H——桁架高度(m)；

d——桁架節間距離(m)。

6 桁架設計

6.1 截面驗算

目前計算桁架常用PKPM的STS軟件，荷載導算完成后，根據選取的截面進行驗算，最終確定最優的桿件截面。

要注意的是，棧橋主桁架和水平支撐分別按平面桁架計算，但是主桁架上下弦桿其實同時承擔豎向和水平荷載。在設計主桁架時，對上下弦桿件計算時應將它在兩個平面桁架的內力疊加。

6.2 變形驗算

結構變形的容許值宜符合《鋼標》附錄B的規定，永久和可變荷載標準值產生的撓度(如有起拱應減去拱度)容許值可取L/400，可變荷載標準值產生的撓度的容許值可取L/500。

為了改善外觀和符合使用條件，大跨度結構要預先起拱。起拱度可以取恒載標準值加0.5活載標準值所產生的撓度值；或直接取為L/500。

6.3 棧橋的抗震設計討論

對于跨度大于24 m的棧橋和8度、9度地區，宜進行抗震驗算。

此類棧橋的抗震設計可參考《構筑物抗震設計規范》(GB50191-2012)[5]運輸機通廊及《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[6]大跨度屋蓋桁架相關規定進行。水平地震作用一般不用驗算，豎向地震作用需要抗震驗算。根據上述規范采取相關的抗震措施，控制其撓度、關鍵桿件內力設計值、支座設計值、桿件長細比等。

7 支座處門型剛架設計

桁架端豎桿應與端部剛性橫梁組成門型剛架(簡稱端門架)，屋面水平支撐將它承受的風荷載由兩端的端門架傳至下弦支座如圖4所示。

圖4 端門架

作用在每個端門架上端節點的力為:

HW=0.5×0.5HLwk(kN)

端門架的計算簡圖是剛架，其豎桿下端可取鉸接。端門架的計算簡圖如圖3所示。

8 橫向垂直支撐

橫向垂直支撐設在主桁架豎桿平面內，作用是增加棧橋的抗扭剛度，保證結構的整體作用。橫向垂直支撐其數量根據跨度大小確定，間距不宜超過12 m，且每跨不宜少于兩道。橫向垂直支撐猶如上下縱向水平支撐間的一些彈性支承，上下縱向水平支撐承受的橫向荷載，絕大部分是通過端門架傳給支座的，僅有一小部分通過中間橫向支撐傳至走道水平支撐。因此，橫向垂直支撐一般不用計算，僅在屋面支撐直腹桿和桁架豎腹桿間設置隅撐或鋼板即可，如圖5所示。

圖5 橫向垂直支撐

9 支座設計

9.1 溫度變化計算

結構的合攏溫度，可定為10℃～25℃，可保證在一年中的大部分時間均可合攏，具備施工可行性。

金屬結構對氣溫變化較敏感，宜考慮極端氣溫的影響[2]。室外結構溫度可取歷年極端最高(最低)溫度，該工程所在地極端最高溫度38.6℃，極端最低溫度-32.7℃；該工程為暴露于室外的結構，考慮表面吸熱性質考慮太陽輻射的影響，最高溫度考慮溫度增加11℃[2]。

結構最高溫度：38.6+11=49.6(℃);

結構最低溫度：-32.7(℃);

結構最大升溫：ΔTk=49.6-10=39.6(℃);

結構最大降溫：ΔTk=-32.7-25=-57.7(℃)。

9.2 鋼桁架縱向伸縮量計算

伸長量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×39.6=21(mm)；

縮短量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×57.7=31(mm)；

式中：Δl——構件的伸縮量(mm)；

L——構件的長度(mm)；

Δt——溫度變化度數(℃)；

αT——鋼的線膨脹系數=12×10-6/℃。

本棧橋縱向伸縮總量為：21+31=52(mm)

9.3 支座設計

根據支座承擔的豎向力、水平力，棧橋伸縮量選用支座，支座可采用板式橡膠支座或球型支座。

板式橡膠支座構造簡單、安裝方便，其能承受的水平力很有限，應設置限位件承擔桁架水平風荷載；支座底版與基礎面摩擦力小于支座底部的水平力時應設置抗剪鍵，不宜利用錨栓傳遞剪力，如圖6所示。

圖6 橡膠支座示意圖

該工程支座反力303 kN,最大的伸縮量較大值31 mm，選用《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4-2019)[7]中的GBJ200×200×47(NR)型支座(公路橋梁普通矩形橡膠支座，耐寒型，采用天然橡膠，支座平面尺寸為200 mm×200 mm，總厚度47mm)。

球型支座經久耐用，還有相應的抗震、減震支座，亦能承受水平力，一般能承擔豎向力的30%，但施工安裝較為復雜。若支座承擔的水平力大于豎向力的30%，亦需要設置限位件承擔其余水平力。球型支座可選用《公路橋梁球型支座規格系列》(JT/T 854-2013)[8]相應規格系列。

該工程由結構自重引起的4個支座總反力為RGk=352 kN；

風荷載引起的支座剪力設計值：V風=329 kN；

V風=329kN>0.4RGk=0.3×352=141 kN;

故，對于水平力(主要為風荷載引起的)較大的鋼桁架，球型支座亦需要設置限位件承擔其余水平剪力。

10 結語

本文分析探討了鋼桁架棧橋的結構組成、受力特點、桁架尺寸的確定、計算方法、荷載取值、結構驗算、桁架撓度、橫向剛度、支座設計等，提供了設計此類結構的思路和方法，供廣大設計人員參考。