下承式鋼桁梁橋在城市橋梁中的應用及結構設計

王朝華

(沈陽鐵道勘察設計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

0 引言

隨著城市交通的飛速發(fā)展，下承式鋼桁梁在城市立交高度受限的橋梁中的應用也日益增加。鋼桁橋綜合了鋼材和桁架結構的特點，具有建筑高度低、跨越能力強、鋼桁架結構抗壓能力強、整體性好等特點，同時鋼桁架構件適合于工業(yè)化制造，便于運輸和工地安裝，易于修復和更換。本文以長春市西安橋改造工程為例，介紹了下承式鋼桁梁在市政橋梁應用中的結構設計特點以及施工方案，對鋼桁梁在城市橋梁中的應用進行有益的探討。

1 工程概況

西安橋位于長春市西安大路上，需同時跨越京哈鐵路和長春輕軌3號線，橋梁與鐵路正交。西安大路道路等級為城市主干道，設計橋梁荷載采用公路—Ⅰ級、設計行車速度60 km/h、橋面總寬度為41.2 m。根據(jù)總體規(guī)劃，本橋為雙幅橋，人行道布置于桁架外側，單幅橋全寬16.4 m，兩幅橋凈距2.1 m。

此次設計由于橋下京哈鐵路凈空的要求，橋梁兩側道路需相應抬高。為減少道路抬高對兩側建筑物及路網(wǎng)的影響，下承式鋼桁梁具有一定的競爭力:

1)當橋位處梁高受限嚴重時，下承式鋼桁梁的結構高度具有特殊的優(yōu)勢。

2)鋼桁梁施工周期短，可以在兩側拼裝完成后，然后采用拖拉架設等便捷的施工方法，對既有鐵路線影響小。

3)鋼桁梁造型美觀，可以滿足城市橋梁對美學的較高要求。

雖然鋼橋具有造價較高，后期維護費用大等缺點，但在特定的橋位與限制條件下，鋼桁梁仍是一個經(jīng)濟合理的選擇。本橋由于橋梁建筑高度和施工周期受限嚴重，經(jīng)過多方案的技術比較后，確定采用下承式鋼桁梁方案。

與常見的鐵路下承式鋼桁梁相比，本橋采用鋼—混凝土結構組合橋面系，滿足行車舒適性的要求。

2 結構設計

本橋采用1－60 m下承式簡支鋼桁梁，每幅鋼桁梁橋由2片主桁、上下平面縱向聯(lián)結系、橋門架、橫向聯(lián)結系及橋面系組成。

2.1 主桁

主桁的形式較多，為方便制造安裝，本橋采用等高度帶豎桿的三角形腹桿體系。本橋計算跨度為60 m，主桁桁高9.5 m，主桁中心距15.9 m;全橋共10個節(jié)間，節(jié)間長6 m。

主桁桿件上、下弦桿均采用寬500 mm、高700 mm的焊接H形截面;斜桿采用寬500 mm、高600 mm的焊接H形截面;豎桿采用寬500 mm、高420 mm的焊接H形截面;端斜桿采用寬500 mm、高700 mm的焊接箱形截面。所有桿件均采用工廠焊接，在工地通過節(jié)點板用高強螺栓拼接。主桁示意圖見圖1。

圖1 主桁示意圖（單位：mm）

2.2 上、下平縱聯(lián)

上、下平面縱向聯(lián)結系均采用K形式，與弦桿在節(jié)點處相連，以抵抗橫向風力及弦桿變形產生的內力，縱向聯(lián)結系均采用工字形焊接截面。

2.3 橋門架及橫向聯(lián)結系

為滿足橋梁橫向剛度的要求，在桁架兩端斜桿所在的斜平面內設置橋門架(見圖2)，上弦每兩個節(jié)點設置一道橫向聯(lián)結系，橋門架及橫聯(lián)均采用H形焊接截面。

圖2 橋門架示意圖（單位：mm）

2.4 橋面系

橋面系采用鋼—混凝土組合結構，由上部的混凝土橋面板和下部鋼梁通過剪力釘結合而成。

橋面板采用鋼筋混凝土結構，板厚15 cm，與縱、橫梁相交處設置承托，板厚增至30 cm。在每道橫梁處設置橫向現(xiàn)澆接縫，縱向現(xiàn)澆接縫間距4 m。

鋼梁采用縱橫梁體系，縱橫梁均采用工字形截面。

縱梁梁高500 mm，縱梁間距2.2 m?？v梁腹板通過角鋼與橫梁連接。縱梁與橫梁的連接處設魚形板，并在縱梁連接端下方設連接牛腿［1］。

橫梁梁高由990 mm變至1 220 mm，以適應橋面橫坡變化。橫梁采用高強螺栓與主桁連接。

縱、橫梁上翼緣頂面設置剪力釘與橋面板相連［2］。在縱梁跨中設置縱梁間橫向聯(lián)結系，對縱梁有彈性支撐作用，能夠降低縱梁的跨中最大正彎矩，減少縱梁截面。

在橫梁下緣設置下平聯(lián)與主桁相連，使橋面系與主桁形成共同受力體系，增大了橋面系的整體剛度。

3 結構計算

3.1 主桁結構計算

全橋整體靜力分析采用空間有限元程序MIDAS計算，模型中桿件主要包括上弦桿、下弦桿、豎桿、斜桿、縱梁、橫梁、托架、橫聯(lián)及上下平聯(lián)，桿件均采用桿系單元。邊界條件為E0處設固定鉸支座，E0′處設置活動鉸支座，橫橋向僅在上游側設置橫向約束。有限元模型圖見圖3。

圖3 空間計算模型圖

經(jīng)計算表明，結構強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.2 橫梁計算

橫梁計算時，假定橫梁為支撐于主桁節(jié)點的簡支梁、每片橫梁承受一個節(jié)間的恒載、活載縱向兩個節(jié)間進行最不利加載、橫向按四車道最不利加載。

3.3 縱梁計算

縱梁計算時，假定縱梁為支撐于橫梁上的連續(xù)梁、每片縱梁承受一個節(jié)間的恒載(橫向承擔的恒載為2.2 m寬)、活載縱向多節(jié)間進行最不利加載、橫向按四車道最不利加載。

3.4 主桁節(jié)點計算

節(jié)點計算包括桿件連接計算和節(jié)點板計算。

4 施工方案

鋼桁梁通常采用的施工方法有懸臂施工法、門吊施工法、縱向拖拉法等。本橋根據(jù)橋梁所處的位置及現(xiàn)場實際的情況，采用拖拉架設法施工。

首先在橋跨附近合適位置平整場地，布置拼裝支架及拖拉支架，拼裝支架頂面布置拼裝平臺，鋼梁在拼裝平臺上使用吊機安裝，通過牽引裝置在拖拉支架上滑移鋼梁至橋跨處，鋼梁調整后就位，進行下一步橋面附屬施工。鋼桁梁拼裝支架采用排式支架，結構可為萬能桿件或鋼管形式，支架基礎根據(jù)受力情況可采用擴大基礎或樁基礎。支架的跨度根據(jù)設計及計算要求確定，結構形式一般為樁基礎，鋼桁梁前端設導梁用于滑移牽引，拖拉采用卷揚機滑輪組作動力。鋼梁一般一次性拼裝完成，整體拖拉到位，若為節(jié)省下滑道長度，亦可隨拼隨拖。

5 結語

1)下承式鋼桁梁橋已被廣泛用于鐵路橋梁中，隨著科技的進步，在公路和城市橋梁的新建和改建工程中，當橋下凈空和施工工期受限時，下承式鋼桁梁橋具有巨大的優(yōu)勢。

2)鋼桁梁橋的設計除了注重主體結構構件設計外，還應注重節(jié)點連接、橋面系構造等細部構造的設計處理。

3)設計過程中，應充分征求有經(jīng)驗的鋼梁制作廠家和施工單位的建議，按照可行的制造工藝和施工方案進行設計，對設計和施工具有很大的益處。

［1］ 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.