某鋼桁天橋設(shè)計(jì)與施工方法探索

陳 璨

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

鋼桁架結(jié)構(gòu)具有跨越能力強(qiáng)、承載能力高、施工標(biāo)準(zhǔn)化程度高、施工周期短、速度快、耐久性能好、造型美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)。尤其是近年來(lái)我國(guó)煉鋼水平的提高，國(guó)產(chǎn)橋梁用鋼品質(zhì)已經(jīng)完全滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全的需要，且隨著鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的提高，鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)已經(jīng)完全到了可以接受的范圍內(nèi)，本著這些優(yōu)點(diǎn)，鋼桁架結(jié)構(gòu)在城市及景區(qū)天橋中設(shè)計(jì)應(yīng)用中越來(lái)越多[1-3]。

1 工程概況

橋位位于一風(fēng)景區(qū)內(nèi)，風(fēng)景區(qū)被國(guó)道一分為二，為保障兩塊游園的游客能夠安全便捷地通行，擬在國(guó)道上架設(shè)天橋一座，一跨跨越國(guó)道，規(guī)劃國(guó)道寬度為50 m。

1.1 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

a）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 100年。

b）橋面寬度 橋面凈寬為4 m，欄桿寬度為2×0.25 m。

c）橋下凈空控制高度 大于等于5.5 m。

d）設(shè)計(jì)荷載等級(jí) 按城-B級(jí)汽車(chē)荷載計(jì)算。

e）設(shè)計(jì)人群荷載 3.5 kN/m2。

1.2 橋梁設(shè)計(jì)原則

a）在滿(mǎn)足功能要求的前提下合理優(yōu)化橋梁布置，盡可能在節(jié)約造價(jià)的情況下滿(mǎn)足景觀(guān)橋梁對(duì)美觀(guān)的要求。

b）橋梁設(shè)計(jì)方案總體構(gòu)思，應(yīng)突出景觀(guān)天橋的效果，通過(guò)合適跨徑及材料、施工方案的選擇，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又美觀(guān)的效果。

c）制定合理的施工方案，盡量降低施工費(fèi)用，減小對(duì)已有道路和環(huán)境的干擾。

由于本橋位地形限制，上部橋梁結(jié)構(gòu)形式確定為梁式橋。主要比選T梁、鋼箱梁、鋼桁梁3種結(jié)構(gòu)形式。由于單跨徑超過(guò)50 m，且鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)施工焊接存在施工風(fēng)險(xiǎn)因素，故該天橋上部結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)。

2 鋼桁架結(jié)構(gòu)尺寸的確定

2.1 主桁

主桁采用帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系。根據(jù)《現(xiàn)代鋼橋》中有關(guān)鋼桁架部分?jǐn)⑹鰹椋合鲁惺借旒艿墓?jié)間長(zhǎng)度一般為 6～10 m； 主桁高度為（1/7～1/10）L，L 為橋梁跨徑[3]，但由于天橋活荷載較小，高跨比值可適當(dāng)降低；帶豎桿的桁架的合理傾角為50°左右。取大節(jié)間長(zhǎng)度8 m，共7個(gè)節(jié)間，上部桁架共長(zhǎng)56 m，主桁高度5 m，高跨比為1/11.2。兩片主桁主心距采用5.3 m，寬跨比為1/10.57，橋面寬度4.5 m。

圖1 主桁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m）

主桁上下弦桿均采用焊接H形截面，截面寬度420 mm，高度均為400 mm，翼緣板厚20 mm，腹板厚12 mm，工廠(chǎng)焊接，在工地通過(guò)高強(qiáng)螺栓在節(jié)點(diǎn)內(nèi)拼接。腹桿均采用焊接H形截面，截面寬度260 mm，高度均為400 mm，最大板厚14 mm。

2.2 橋面系

橋面系為下橫梁+小縱梁+上面的橋面板結(jié)合而成，其鋼梁部分仍采用縱橫梁體系。本設(shè)計(jì)橫梁高514 mm，為焊接倒T字形截面，與主桁在節(jié)點(diǎn)上通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接；小縱梁高284 mm，也采用焊接T字形截面；下橫梁上緣與小縱梁上緣齊平，通過(guò)腹板與下翼緣焊接與下橫梁連為一體；小縱梁在每個(gè)節(jié)段中間通過(guò)拼接板使相鄰小縱梁連為一體橫向每0.9 m設(shè)置一道；橋面板采用鋼板，板厚16 mm，通過(guò)焊接與橫梁、縱梁相連。

2.3 上平面縱向聯(lián)結(jié)系

上平面縱向聯(lián)結(jié)系均采用雙X形式，與弦桿在節(jié)點(diǎn)處相連，以抵抗橫向風(fēng)荷載、豎向荷載及弦桿變形等產(chǎn)生的內(nèi)力，在桁梁兩端斜桿所在的斜平面設(shè)置橋門(mén)架，上弦每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)一道橫向聯(lián)結(jié)系。

3 鋼桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)建模采用空間有限元計(jì)算軟件Midas Civil，建立三維計(jì)算模型。由于主桁桿件采用高強(qiáng)螺栓連接，節(jié)點(diǎn)的桿件之間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)角產(chǎn)生，因此節(jié)點(diǎn)采用剛接模擬。有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型

3.1 主桁桿件應(yīng)力

建立兩個(gè)組合，考察桁架在恒、活載共同作用下的受力性能。

a）組合1 1.0恒載+1.0人群活載+1.0整體升（降）溫+1.0風(fēng)荷載；

b）組合2 1.0恒載+1.0汽車(chē)活載+1.0整體升（降）溫+1.0風(fēng)荷載。

應(yīng)力結(jié)果如表1所示。

表1 桁架桿件恒活載下最大應(yīng)力 MPa

經(jīng)過(guò)比較表1中組合1和組合2，組合2即汽車(chē)荷載組合的應(yīng)力較大。根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025—86）1.2.5條，Q345鋼材的受拉允許應(yīng)力為200 MPa，受壓允許應(yīng)力在200 MPa的基礎(chǔ)上乘以穩(wěn)定折減系數(shù)ψ，根據(jù)計(jì)算各個(gè)桿件的長(zhǎng)細(xì)比均在30以?xún)?nèi)，因此折減系數(shù)ψ=0.9，于是受壓允許應(yīng)力為180 MPa[4-5]。

3.2 橋面系應(yīng)力

3.2.1 小縱梁應(yīng)力

小縱梁與橋面板、橫梁焊接連接形成正交異性板，鋼橋面板的有效寬度偏安全考慮與下翼緣寬度相同。小縱梁與橫梁焊接連接，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取小縱梁與橫梁鉸接，取小縱梁計(jì)算桿件為14 mm厚翼緣板和12 mm厚腹板組成的“工”字形截面建立有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

按照上述模型計(jì)算小縱梁在汽車(chē)組合2作用下，最大拉、壓應(yīng)力均為35.9 MPa，滿(mǎn)足應(yīng)力要求。

3.2.2 下橫梁應(yīng)力

下橫梁與橋面板焊接連接形成正交異性板，鋼橋面板的有效寬度偏安全考慮與下翼緣寬度相同。小縱梁與橫梁焊接連接，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取下橫梁與主桁桿件鉸接，取下橫梁計(jì)算桿件為20 mm厚翼緣板和20 mm厚腹板組成的“工”字形截面建立有限元模型，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 下橫梁軸向壓應(yīng)力（單位：MPa）

下橫梁軸向壓應(yīng)力最大為74.4 MPa，滿(mǎn)足應(yīng)力要求。

3.3 撓度

按照上述索取桿件截面積，建立圖2計(jì)算模型，在人群荷載及城-B荷載作用下，跨中最大下?lián)戏謩e為19.7 mm、29.3 mm，滿(mǎn)足規(guī)范剛度要求。

4 施工步驟

4.1 步驟一

a）開(kāi)挖山體至規(guī)劃道路地面標(biāo)高[6]。

b）工廠(chǎng)制作主桁桿件，并在工廠(chǎng)進(jìn)行預(yù)拼裝。

c）完成柱基礎(chǔ)、橋臺(tái)的施工。

圖5 施工步驟一

4.2 步驟二

a）平整場(chǎng)地，完成施工平臺(tái)的搭設(shè)。

b）施工平臺(tái)搭設(shè)注意預(yù)拱度的設(shè)置。

c）預(yù)留兩個(gè)通行孔道，孔道大小根據(jù)實(shí)際情況確定。

d）安裝主桁桿件。

e）橋面板安裝。

圖6 施工步驟二

4.3 步驟三

a）全橋施工完成后，拆除施工平臺(tái)。

b）完成附屬結(jié)構(gòu)的施工。

c）完善全橋防腐措施。

d）后期運(yùn)營(yíng)。

圖7 施工步驟三

5 結(jié)論

a）鋼桁架結(jié)構(gòu)以其本身固有的跨越能力大、施工期短、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)適用于城市及景區(qū)天橋。

b）主桁結(jié)構(gòu)尺寸可以按照結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型確定，對(duì)小縱梁及橫梁尺寸可以單取一根梁按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)進(jìn)行最不利計(jì)算，從本例中可以看出是可行的。

c）對(duì)于簡(jiǎn)支鋼桁架天橋施工方法應(yīng)采用工廠(chǎng)預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)支架拼裝對(duì)于保通道路也是可行的。