雙層鋼桁架橋梁關鍵技術研究

董浩、章晗

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

鋼桁架結構是由弦桿、腹桿組成的具有三角形單元的平面或空間結構。這種結構以承受軸力為主，通常跨中位置處的弦桿軸力大，支座位置處的腹桿軸力大。雙層鋼桁架結構，不僅繼承了常規桁架結構的受力特點，而且極大地提高了橋梁的經濟性與實用性，因此越來越多的設計人員開始采用雙層鋼桁架結構橋梁。

目前，只有少數學者對鋼桁架橋梁的力學性能進行了研究：成浩嘉對雙層鋼桁架梁橋進行了靜力模型試驗研究；楊梓研究了腹桿傾角對雙層鋼桁架橋受力的影響；許一對橋面板與鋼桁架共同作用時的橋梁力學特性進行了研究；甄玉杰對多跨雙層鋼桁架連續梁橋進行了技術研究；岳云龍研究了鋼桁架跨河人行橋梁的設計要點；袁安華研究了桁架人行天橋的受力特性；蘇祥亞研究了鋼桁架橋的節點設計等。

本文對祝塘河大橋雙層鋼桁架橋梁的靜動力特性進行了研究。祝塘河大橋為跨度90m 的雙層簡支鋼桁架梁橋，橋面總寬34.65m，上層為8 車道公路，下層為4 車道公路+兩人行車道及兩非機動車道。上下層均為正交異型鋼箱橋面。主桁采用兩片三角形桁架，主桁中心距34.9m，節間長度10m。橋梁橫斷面采用兩片主桁的形式。

上、下弦桿均采用箱形截面，主桁腹桿采用箱形截面或H 形截面。主桁節點采用焊接整體節點，節點外拼接。上弦桿高1.89m，內寬1.0m，上弦桿上、下水平板的板厚為24mm、28mm，豎板厚為24mm、28mm；在桿件的豎板上設兩道板式加勁肋，上、下水平板各設一道板式加勁肋；節段間頂板采用焊接，腹板與底板均采用栓接。鋼桁架斷面、主桁各構件截面編號及尺寸如圖1～圖3所示。

圖1 鋼桁架斷面圖（單位：cm）

圖2 鋼桁架立面圖（單位：mm）

圖3 桿件斷面圖(單位：mm)

2 有限元分析

采用有限元軟件Midas 對桁架結構進行計算分析，根據鋼桁架梁各桿件的布置、長度等以及施工方案對結構進行離散，應用梁單元、板單元，建立全橋的空間模型。結構有限元模型共2512 個節點，392 個梁單元，2900 個板單元，客觀真實地模擬了主橋各個部位的截面形狀。全橋計算分析時，嚴格按照施工階段進行模擬，保證成橋后結構受力的準確性。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

2.1 恒載

一期恒載包括桁架各桿件自重及橋面板自重，鋼材容重取78.5kN/m；二期恒載包括橋面鋪裝、護欄等荷載，混凝土橋面板容重取26kN/m。

2.2 活載

2.2.1 汽車荷載

設計荷載：公路-I 級，按照16 個車道進行縱橫向布載。

2.2.2 汽車沖擊力

依據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.2 條,結構主梁豎向彎曲振動基頻為3.0Hz，相應沖擊系數為0.178，汽車荷載的局部加載沖擊系數μ=0.3。

2.3 溫度荷載

橋梁整體升溫30C，橋梁整體降溫-30C；梯度溫度：采用《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)第4.3.12 條梯度模型計算。

2.4 計算結果

根據有限元的計算結果，得到雙層鋼桁架橋梁在基本組合作用下的靜動力受力特性，其結構應力包絡圖如圖5所示、活載變形圖如圖6所示、結構振型圖如圖7所示。

圖5 結構應力包絡圖（單位：MPa）

圖6 結構活載變形圖（單位：mm）

圖7 結構一階振型圖

由計算結果可知，結構在基本組合下的最大拉應力和最大壓應力均為186.8MPa，均位于支座附近的豎腹桿。上下弦桿的應力范圍是99～112MPa，腹桿應力在179～186.8MPa 之間。雙層鋼桁架橋梁在活載作用下的最大撓度為9.5mm，遠小于規范要求的橋梁跨徑的1/500（180mm）。雙層鋼桁架橋梁的一階振型為結構的豎向彎曲變形，與一般簡支梁橋的振型基本一致。根據桁架結構的截面尺寸，計算得到截面特性（見表1）。

由表1可知，按常規尺寸設計的雙層鋼桁架結構剛度遠遠超過規范要求。由于雙層鋼桁架結構的腹桿應力大于弦桿應力，且腹桿長細比遠小于規范限值，因此腹桿強度設計將成為影響此類結構安全的控制性因素。

表1 桿件截面特性

3 參數分析

為了研究不同跨徑及不同主桁間距下，雙層簡支鋼桁架橋梁靜動力特性的差異，本文對跨徑60m、70m、80m、90m，主桁間距20m、25m、30m、35m 的橋梁結構進行有限元參數分析，得到計算結果見表2～表5，圖8～圖11。

表2 結構最大軸力（不同主桁間距）

表5 結構一階動力特性（不同跨徑）

圖8 結構最大軸力（不同主桁間距）

圖11 結構自振頻率（不同跨徑）

由表2、表3、圖8、圖9可知，在常見跨徑和主桁間距下，簡支雙層鋼桁架梁橋的腹桿軸力要大于弦桿軸力。隨著橋梁跨徑的增大，弦桿和腹桿的軸力增大，橋梁跨徑每增加10m，弦桿軸力增加約1100kN，腹桿軸力增加約1330kN；隨著主桁間距的增大，弦桿與腹桿的軸力也在增大，主桁間距每增加5m，腹桿軸力的增加約1100kN。雖然弦桿軸力的增加與主桁間距的增加之間未表現出線性規律，但是其增幅均在600kN以下。由表4、表5、圖10、圖11可知，隨著橋梁跨徑和主桁間距的增大，簡支雙層鋼桁架橋梁的自振頻率逐漸減小，并且呈現出非線性減小的趨勢。這是因為鋼桁架結構的質量與剛度比值的開方隨跨徑和主桁間距的線性變化呈現非線性變化。

表3 結構最大軸力（不同跨徑）

表4 結構一階動力特性（不同主桁間距）

圖9 結構最大軸力（不同跨徑）

圖10 結構自振頻率（不同主桁間距）

4 結論

本文以祝塘河大橋為背景，介紹鋼桁架結構的主要受力特點，通過有限元參數化分析，研究簡支雙層鋼桁架橋梁的靜動力性能，得到如下結論：第一，簡支雙層鋼桁架橋梁，腹桿軸力大于弦桿軸力，由于腹桿長細比較小，因此影響該橋梁結構安全的控制性因素為腹桿的強度設計；第二，簡支雙層鋼桁架橋梁，弦桿軸力與腹桿軸力隨橋梁跨徑和主桁間距的增大而增大，增大趨勢基本表現為線性增加；第三，簡支雙層鋼桁架橋梁，一階振型為豎向彎曲，自振頻率隨跨徑和主桁間距的線性變化呈現非線性變化。