鋼桁架梁路面體系在蓋挖車站中的應(yīng)用分析

尹筱琴（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，廣東深圳，518000）

1 工程概況

沈陽地鐵淮河街站為九、十號線同期實施換乘車站，九號線車站與十號線形成L型換乘。西南角為城市街心花園-淮河園，站點周邊基本為居民區(qū)。崇山西路為沈陽市一環(huán)道路，雙向十車道；淮河街雙向六車道。十號線車站為地下雙層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站主體采用明挖法施工。九號線車站為地下三層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站總長約165m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.7m，頂板覆土約4.6m，底板埋深約24.8 m，基坑寬22.8～26.8 m，車站主體采用蓋挖順做法施工。

受場地周邊交通條件限制，施工期間，淮河街南北向須保持路面車輛正常通行，所以，主體基坑第一道鋼支撐采用鋼桁架梁與150mm厚C30混凝土板的組合結(jié)構(gòu)。鋼桁架梁采用橫向間距0.8m的搭設(shè)方式（詳見圖1），搭設(shè)總寬度11.72m，跨度28m，選用的鋼桁架梁高度為1.51m。

圖1 鋼桁架梁現(xiàn)場照片

本文主要通過Midas Civil軟件建模分析，對車輛通行過程中鋼桁架梁的強度和穩(wěn)定性進行驗算。

2 計算模型

鋼桁架梁整體計算模型詳見圖2，局部大樣詳見圖3。

圖2 整體計算模型

圖3 鋼桁架梁一榀大樣（局部）

（1） 鋼桁架梁桁架部分按梁單元模擬。單元屬性設(shè)定為16Mn鋼。將鋼桁架梁桁架結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化后，加強三角主弦桿采用槽鋼［16b、主斜桿采用槽鋼［8、豎桿采用∟50×5；端構(gòu)件主弦桿采用槽鋼［16a、主斜桿采用槽鋼［10；豎桿采用［8；榀內(nèi)角鋼均采用∟50×5；榀間連桿采用24鋼管模擬[1]。

（2） 橋面板按板單元（厚板）模擬。單元屬性設(shè)定為C30混凝土，板厚15cm。

（3） 橋面板與鋼桁架梁之間建立1cm高桁架單元（無重量）。桁架單元用于將鋼桁架梁梁單元與橋面板板單元連接。

（4）根據(jù)鋼桁架梁各構(gòu)件間鉸接剛接實際情況設(shè)定節(jié)點固結(jié)或相應(yīng)釋放梁端約束。

（5）鋼桁架梁底端邊緣節(jié)點為簡支約束。

3 荷載與荷載組合

因該特種鋼桁架梁各項性能指標(biāo)均在現(xiàn)行鋼橋設(shè)計規(guī)范編訂之前，因此，本文驗算時仍以《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)[1]、《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）[2]為比對依據(jù)。

（1） 荷載組合。本荷載組合根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，其3.1.4條規(guī)定：“按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合”。

荷載組合：1.2×自重+1.2×恒荷載+1.4×汽車荷載+1.4×溫度。

（2）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。本鋼桁架梁為臨時性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

（3） 汽車荷載。以公路-I級車道荷載計算，根據(jù)實際道路通行條件，在鋼桁架梁中線一側(cè)，三車道偏心加載。

（4） 汽車荷載沖擊系數(shù)。采用MIDAS CIVIL計算結(jié)構(gòu)基頻為8.1，計算得汽車沖擊系數(shù)0.354。

4 承載能力分析

在三車道偏載的荷載組合作用下：上弦最大軸力組合值為552kN(壓)，下弦最大軸力組合值為572kN(拉)；斜桿最大軸力為206kN(壓)；詳見圖4。

圖4 荷載組合下桿件軸力

對比鋼桁架梁手冊中桿件承載力數(shù)值：

上弦桿 552kN(壓)≤1420/2=710kN；下弦桿572kN(拉)≤1400/2=700kN；斜桿 206kN(壓)≤420/2=210，均滿足要求。

對比《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，查規(guī)范3.4.1中Q345鋼抗拉、抗壓強度設(shè)計值為310MPa，上下弦桿[16b截面面積為2 510mm2，f×A=778.1kN；斜桿[8截面面積為1 020mm2，f×A=316.2kN。同樣均滿足要求。

5 穩(wěn)定性分析

（1） 橫向剛度。根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》1.2.11規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨長不宜超過主梁中距20倍。鋼桁架梁中距0.8m，0.8×20=16m＞11.72m，橫向剛度滿足要求。

（2） 豎向撓度。

（a） 根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》1.1.6規(guī)定，橋梁容許撓度值為L/800=28000/800=35mm。本工程中，由自重、鋪裝恒載引起的最大豎向撓度值為31mm，由三車道汽車偏載引起的最大豎向撓度值為55mm，已不滿足規(guī)范要求。

（b） 但《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.5雖然對鋼橋變形容許值沒有明確規(guī)定，3.5.1中條文“當(dāng)有實踐經(jīng)驗或有特殊要求時，可根據(jù)不影響正常使用和觀感的原則對附錄A的規(guī)定進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。”依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，則鋼桁架梁豎向撓度是否符合要求尚須進一步研究。

（c）預(yù)拱度的計算方法《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相同，均為“恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值”。本工程計算后得預(yù)拱度為31+55/2=58.5mm。

（3）局部穩(wěn)定性。穩(wěn)定性根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第5章計算，其計算數(shù)據(jù)采用荷載組合數(shù)據(jù)，計算結(jié)果與Q345鋼的設(shè)計參數(shù)對比。

在車道面內(nèi)，鋼桁架梁剛性節(jié)點處雖存在彎矩，其桿件內(nèi)彎矩最大值僅為8.5kN·m，彎矩很小（詳見圖5），驗算穩(wěn)定性時近似按軸心受壓構(gòu)件計算。

圖5 荷載組合下桿件彎矩

（a） 上下弦桿。弦桿回轉(zhuǎn)半徑=6.1cm，再由規(guī)范5.3.2得出：

b類截面，查表得φ=0.901

弦桿穩(wěn)定性滿足要求。

（b）主要斜桿。主要斜桿回轉(zhuǎn)半徑=3.15cm。

b類截面，查表得φ=0.905

主要斜桿穩(wěn)定性滿足要求。

（4） 構(gòu)造要求?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.3.8中要求容許長細比為150，鋼桁架梁各桿件均滿足要求。

6 結(jié)論

在三車道偏心加載情況下：

（1） 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》分析，鋼桁架梁承載能力、穩(wěn)定性均滿足要求。

（2） 根據(jù)鋼桁架梁主桁結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、斷面特性和承載力分析，鋼桁架梁上下弦桿承載能力滿足要求，斜桿承載力雖滿足要求，但安全貯備不大。

（3） 根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》分析，鋼桁架梁承載能力、橫向剛度滿足要求，但豎向撓度不滿足要求。

7 建議

（1）本地鐵車站蓋挖施工方案選用鋼桁架梁橫向搭設(shè)，其承載能力滿足要求。但應(yīng)適當(dāng)加強鋼桁架梁斜桿強度，選用［12或更高規(guī)格斜桿。

（2）鋼桁架梁使用過程中產(chǎn)生較大的豎向撓度變形，應(yīng)做好適時監(jiān)測和檢查，確保各桿件之間連接穩(wěn)固。同時，可對路面通行車輛提出適當(dāng)?shù)南掭d要求。

（3） 在鋼桁架梁安裝時，設(shè)置58.5mm的預(yù)拱度。