蒸汽管網(wǎng)鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

石若汐SHI Ruo-xi

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 工程概況

某蒸汽管網(wǎng)工程位于河北省滄州市渤海新區(qū)，管道規(guī)格為4 根直徑（DN）600 蒸汽供熱管道，管線在港務(wù)公司外跨越中鋼鐵路1 股道，鋼桁梁橋與鐵路軌面凈空距離不小于12.5m，鋼桁梁橋基礎(chǔ)位置不得侵入鐵路的建筑限界或鐵路用地紅線。

為減少施工及運(yùn)營(yíng)階段對(duì)橋下鐵路的影響，確?？缭借F路的安全性，并兼顧經(jīng)濟(jì)性，采用一孔鋼桁梁橋架空敷設(shè)方式跨越中鋼鐵路。橋梁支承體系為1-70m 簡(jiǎn)支鋼桁架梁橋，橋?qū)?m，橋型布置見(jiàn)圖1。鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)采用分段預(yù)制吊裝拼裝法施工，下部墩柱采用整體吊裝法施工。

圖1 鋼桁梁橋橋型布置圖（單位：cm）

2 1-70m 鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼桁梁主跨為70m，支座中心至梁端距離為0.5m，主桁采用N 形桁式，節(jié)間長(zhǎng)度3.5m，主桁桁高3.8m，主桁中心距4m；上、下弦桿采用焊接箱形截面，上、下弦桿高和寬均為50cm，弦桿節(jié)間長(zhǎng)350cm。豎腹桿均采用Φ194×8mm無(wú)縫鋼管，端部豎腹桿采用箱形截面，截面高、寬均為30cm。斜腹桿采用Φ245×18mm、Φ203×14mm 無(wú)縫鋼管，端部斜腹桿采用箱形截面，截面高、寬均為30cm；上、下平聯(lián)橫梁采用高和寬均為25cm 和20cm 箱形截面，端部平聯(lián)橫梁采用高30cm、寬25cm 箱形截面，縱梁采用工字鋼HW 100×100×6/8。橋面小橫梁采用[10 槽鋼，橋面板采用6mm 厚花紋鋼板。主橋墩頂設(shè)置板式橡膠支座、四氟乙烯滑板式橡膠支座。

下部結(jié)構(gòu)同樣采用鋼桁架，橋墩采用格構(gòu)式橋墩，每座橋墩共四根立柱，鋼桁架橋墩立柱的橫橋向中心距為4m，縱橋向中心距為2.5m，墩高均為13.8m。橋墩主肢采用焊接40×25cm 箱形斷面，節(jié)間長(zhǎng)3m，斜腹桿、平行腹桿及橫撐采用Φ168×6mm 無(wú)縫鋼管，頂部縱向腹桿采用Φ168×8mm 無(wú)縫鋼管，下部橫向腹桿采用Φ219×16mm 無(wú)縫鋼管。

墩底鋼-混凝土過(guò)渡段長(zhǎng)2.5m，采用鋼筋混凝土外包鋼柱的形式，鋼柱底采用M30 預(yù)埋地腳錨栓錨固于承臺(tái)內(nèi)，混凝土柱截面尺寸1.0×1.0m，鋼、混凝土結(jié)合面設(shè)Φ22×120 栓釘。

承臺(tái)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每座承臺(tái)下設(shè)4 根鉆孔灌注摩擦樁，樁徑為1.0m，樁基的橫橋向中心距為4m，縱橋向中心距為2.5m。根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10093-2017）中第6.3.2 條，為滿足承臺(tái)邊緣至最外一排樁的凈距要求，承臺(tái)尺寸設(shè)為4.5m×6.0m×2.0m。

橫斷面布置見(jiàn)圖2。

圖2 鋼桁梁橋橫斷面布置圖（單位：cm）

3 鋼桁梁橋上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用Midas Civil 建立空間有限元模型，對(duì)本橋進(jìn)行受力分析時(shí)，將主桁、橫梁離散為梁?jiǎn)卧撹炝簶蛏喜拷Y(jié)構(gòu)整體模型如圖3 所示。

圖3 鋼桁梁橋上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

在計(jì)算時(shí)，一期恒載采用構(gòu)件自重并考慮1.2 的構(gòu)造系數(shù)。其中，橋面［10 槽鋼長(zhǎng)4m，間距0.5m 布置，全橋共計(jì)141 根，槽鋼面荷載為0.237kN/m2；6mm 橋面板長(zhǎng)70m，寬4m，面荷載為0.554kN/m2；橋面面荷載合計(jì)0.791kN/m2。二期恒載為管道荷載及防護(hù)網(wǎng)荷載，管道荷載通過(guò)固定支架及滑動(dòng)支架分別以豎向荷載、側(cè)向荷載、軸向荷載的形式施加至鋼桁梁節(jié)點(diǎn)處，防護(hù)網(wǎng)按2kN/m 計(jì)。

活載考慮了檢修時(shí)的人群荷載4kN/m2及當(dāng)?shù)氐难┖奢d0.35kN/m2。

同時(shí)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002-2017）附錄C對(duì)于風(fēng)荷載做如下布置：基本風(fēng)壓值取100 年一遇風(fēng)壓值W0=0.7kPa，體形系數(shù)K1取1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)K2取1.13，地形、地理?xiàng)l件系數(shù)K3取1.3，鋼桁梁折減系數(shù)取0.4，考慮防護(hù)網(wǎng)的阻風(fēng)作用應(yīng)乘2.0 系數(shù)，橫向風(fēng)力受風(fēng)面積的折減系數(shù)取0.8。在Midas Civil 中按梁?jiǎn)卧€荷載施加在上、下平聯(lián)桿件，考慮防護(hù)網(wǎng)風(fēng)荷載豎向偏心1.303m，q=3.32kN/m。

荷載組合分為主力組合、主力+附加力組合。主力組合即組合Ⅰ：恒載+人群荷載（容許應(yīng)力提高系數(shù)1.0）；主力+附加力組合包括組合Ⅱ：主力+橫向風(fēng)力（容許應(yīng)力提高系數(shù)1.30）與組合Ⅲ：主力+溫度荷載。

3.1 上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

首先對(duì)鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，表1 為運(yùn)營(yíng)階段鋼桁梁支座反力計(jì)算匯總，根據(jù)結(jié)構(gòu)恒載、活載及實(shí)際受力情況選擇相應(yīng)的支座，其中，1、2 號(hào)支座選用矩形板樁式橡膠支座GBZJ400×500×69，3、4 號(hào)支座選用四氟乙烯滑動(dòng)板式橡膠支座GBZJH400×500×71。

表1 運(yùn)營(yíng)階段支座反力表

3.2 桿件局部檢算與內(nèi)力計(jì)算

本小節(jié)進(jìn)一步對(duì)鋼桁梁主要桿件進(jìn)行局部檢算及內(nèi)力計(jì)算。基于桿件截面慣性矩及長(zhǎng)細(xì)比，確定各桿件的容許應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算得到的鋼桁梁各主要桿件應(yīng)力，進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段桿件強(qiáng)度檢算。各主要桿件容許應(yīng)力及應(yīng)力檢算見(jiàn)表2。

表2 主要桿件應(yīng)力表（MPa）

由桿件應(yīng)力檢算可知，在設(shè)計(jì)試算過(guò)程中應(yīng)著重注意各部分桿件試算過(guò)程中應(yīng)力最大的桿件，并考慮各桿件之間的聯(lián)系與受力特性，必要時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)，以滿足鋼桁架結(jié)構(gòu)的安全性。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段鋼桁梁各部分主要受力桿件在各種工況下的內(nèi)力情況，考慮毛截面抵抗矩及截面折減系數(shù)等因素，按材料力學(xué)中桿件強(qiáng)度的計(jì)算方法分別計(jì)算桿件中心受拉應(yīng)力、主平面受彎應(yīng)力、偏心受壓及受拉應(yīng)力、剪應(yīng)力等，組合得到截面換算應(yīng)力及安全度列于表3。

表3 主要桿件換算應(yīng)力表（MPa）

3.3 桿件疲勞強(qiáng)度檢算

本節(jié)對(duì)鋼桁梁各主要桿件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了檢算，桿件的疲勞強(qiáng)度檢算按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10091-2017）中第4.3 節(jié)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。疲勞計(jì)算時(shí)，只對(duì)拉-拉構(gòu)件、以拉為主的拉-壓構(gòu)件、以壓為主的拉-壓構(gòu)件這三種情況進(jìn)行疲勞檢算，當(dāng)疲勞應(yīng)力均為壓應(yīng)力時(shí)，不進(jìn)行疲勞檢算。疲勞強(qiáng)度檢算僅考慮人群荷載，不考慮雪荷載，檢算結(jié)果如表4 所示。

表4 主要桿件疲勞應(yīng)力幅表（MPa）

3.4 鋼桁梁撓度分析

通過(guò)計(jì)算分析可知，運(yùn)營(yíng)階段1-70m 鋼桁梁活載產(chǎn)生的豎向撓度為41.0mm，撓跨比為1/1707，滿足橋梁撓度容許值L/500（140mm）的要求。結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不作要求。

參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015），主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其值采用結(jié)構(gòu)自重加1/2 活載所產(chǎn)生的豎向撓度，并應(yīng)做成圓滑曲線。梁體除考慮預(yù)拱度外還應(yīng)考慮縱向排水，縱向設(shè)人字形排水縱坡，按恒載作用下保證3‰的排水縱坡設(shè)置。由于本鋼桁梁橋人行荷載僅為檢修荷載，因此梁體線型僅考慮恒載產(chǎn)生的豎向撓度和排水縱坡，恒載產(chǎn)生的豎向撓度為164.6mm，大于跨徑的L/1600（43.75mm），故本橋設(shè)預(yù)拱度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，上、下弦桿設(shè)置的最大預(yù)拱度均位于跨中位置處，預(yù)拱度值分別為269.609mm、269.453mm，方向向上。

4 鋼桁梁橋下部結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 鋼桁架橋墩計(jì)算

采用Midas Civil 建立空間有限元模型對(duì)本橋墩進(jìn)行受力分析，在進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)同樣將主桁、橫聯(lián)離散為梁?jiǎn)卧?，橋墩模型如圖4 所示。

圖4 鋼桁架橋墩整體計(jì)算模型

在計(jì)算時(shí)，鋼桁梁梁部支座反力依據(jù)第3.1 節(jié)取值，橫風(fēng)水平力產(chǎn)生的反力為259.1kN（一孔梁一端），縱向水平力產(chǎn)生的反力為1269.4×0.05+120.2=183.67kN，其中一部分為支座摩阻力由恒載產(chǎn)生的摩阻力，系數(shù)取0.05，另一部分為管道縱向荷載產(chǎn)生的水平反力。

一期恒載在Midas Civil 中按構(gòu)件自重考慮計(jì)入并考慮1.2 的構(gòu)造系數(shù)，管道二期恒載計(jì)算結(jié)果提取支反力，按最大支反力667.3kN 考慮。風(fēng)荷載強(qiáng)度取值為W=K1×K2×K3×W0=1.34kPa，在Midas Civil 中按梁?jiǎn)卧€荷載施加在立柱上，縱風(fēng)、橫風(fēng)荷載分別為q=1.07kN/m、q=0.67kN/m。

荷載組合與鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算一致。

4.1.1 橋墩整體計(jì)算

首先對(duì)鋼桁架橋墩進(jìn)行整體計(jì)算，表5 為運(yùn)營(yíng)階段單個(gè)橋墩墩柱底反力計(jì)算匯總。

表5 運(yùn)營(yíng)階段墩柱底反力表

4.1.2 桿件局部檢算與內(nèi)力計(jì)算

同樣，對(duì)鋼桁架橋墩的主要桿件進(jìn)行局部檢算及內(nèi)力計(jì)算。各主要桿件容許應(yīng)力及應(yīng)力檢算見(jiàn)表6。

表6 主要桿件應(yīng)力表（MPa）

根據(jù)鋼桁架橋墩各部分主要受力桿件在各種工況下的內(nèi)力情況，考慮毛截面抵抗矩及截面折減系數(shù)等因素，計(jì)算各應(yīng)力組合得到截面換算應(yīng)力及安全度列于表7。

表7 主要桿件換算應(yīng)力表（MPa）

4.1.3 桿件疲勞強(qiáng)度檢算

本小節(jié)對(duì)鋼桁架橋墩各主要桿件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了檢算，桿件的疲勞強(qiáng)度檢算同樣按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091-2017）中第4.3 節(jié)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，檢算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 主要桿件疲勞應(yīng)力幅表（MPa）

4.1.4 橋墩撓度分析

通過(guò)計(jì)算分析可知，13.8m 高鋼桁架橋墩墩頂縱向水平位移23.49mm，橫向水平位移16.08mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017 中撓度容許值L/400（34.5mm）的要求。有關(guān)結(jié)構(gòu)豎向自振頻率，在此不作要求。

4.2 承臺(tái)與樁基計(jì)算

承臺(tái)與樁基礎(chǔ)的計(jì)算是根據(jù)前部分鋼桁架橋墩的計(jì)算進(jìn)一步獲得的，橋墩承受上部結(jié)構(gòu)荷載并傳遞到承臺(tái)與樁基。

4.2.1 承臺(tái)計(jì)算

由于承臺(tái)滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011 中剛性角的要求，無(wú)需單獨(dú)檢算，設(shè)計(jì)時(shí)按構(gòu)造配筋即可。

在鋼桁架橋墩模型里建立混凝土承臺(tái)梁?jiǎn)卧瑢⒍盏? 個(gè)立柱節(jié)點(diǎn)與承臺(tái)頂單元?jiǎng)傂赃B接，用于提取承臺(tái)底反力的最大值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到承臺(tái)底總反力見(jiàn)表9。其中Midas Civil 中承臺(tái)底約束采用一般彈性支撐，約束剛度矩陣通過(guò)自編程序進(jìn)行計(jì)算，承臺(tái)與樁基計(jì)算模型如圖5所示。

表9 承臺(tái)底總反力表

圖5 承臺(tái)與樁基計(jì)算模型

4.2.2 樁基計(jì)算

將Midas Civil 中提取的承臺(tái)底最大反力值輸入自編程序中，計(jì)算得到各樁頂最大反力如表10 所示。

表10 各樁頂最大反力值

根據(jù)摩擦樁穿過(guò)各土層信息，如土層容重、土層厚度、摩阻力、承載力特征值，參照規(guī)范進(jìn)行摩擦樁單樁容許承載力靜力計(jì)算。經(jīng)計(jì)算分析，采用樁長(zhǎng)34m 摩擦樁滿足承載力要求。

5 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)鋼桁梁橋梁部、橋墩、樁基全結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與承載力強(qiáng)度計(jì)算，鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)承載力、應(yīng)力、內(nèi)力等各檢算項(xiàng)目均符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其安全性與穩(wěn)定性均有所保證。經(jīng)過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析可知：在設(shè)計(jì)及施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)重視各部位應(yīng)力最大的桿件，并考慮各桿件之間的聯(lián)系與受力特性，必要時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)，以滿足鋼桁架結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固。