開敞式鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)，李 京，馬曉剛，孔令熙

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201204）

1 概述

南六公路此次改建范圍北起S32，南至滬南公路，全長5.9 km，紅線寬度45 m。道路等級為一級公路，橋梁荷載等級為公路-Ⅰ級。其中跨越惠新港節(jié)點(diǎn)采用單跨65 m的下承式簡支鋼桁梁橋，雙幅布置，單幅橋?qū)?0 m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋型方案

惠新港為規(guī)劃Ⅵ級航道，河口寬50 m，通航凈寬30 m，梁底控制標(biāo)高不小于7.8 m。根據(jù)航道部門的要求，橋梁要求一跨過河，水中不設(shè)墩。

由于規(guī)劃航道的橋下凈空要求較大，為使橋梁整體規(guī)模適中、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，故從優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，要求惠新港橋結(jié)構(gòu)高度盡量小。因此該節(jié)點(diǎn)推薦采用單跨65 m的簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)，可有效減緩橋梁兩端接坡的坡度，滿足非機(jī)動(dòng)車騎行；同時(shí)確保交叉口方案合理，實(shí)現(xiàn)交通出行便捷性與安全性（見圖1）。

桁架橋在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用十分廣泛，是由多個(gè)平面鋼桁架連接形成的整體空腹式空間結(jié)構(gòu)。與實(shí)腹梁相比，具有剛度大、通透性好、用鋼量省、制造以及拼裝方便等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)城市橋梁由于凈空受限時(shí)，可采用下承式結(jié)構(gòu)，有效降低梁高。

圖1 惠新港橋效果圖

鋼桁架立面剛勁有力，為使行車視野開闊，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取消了上平縱聯(lián)，另外采用了造型美觀的華倫桁架，整體景觀性較好。該工程設(shè)計(jì)力求將桁架橋這一傳統(tǒng)橋型以嶄新的姿態(tài)呈現(xiàn)在人們面前，在繼承中體現(xiàn)創(chuàng)新，使得造型更生動(dòng)現(xiàn)代，更加適合在城市橋梁中的使用。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用65 m下承式簡支鋼桁架橋，主桁為兩榀華倫桁架，主桁高度為6.4 m，高跨比約為1/10，兩榀桁架中心間距為16 m（見圖2）。

主桁架中，上、下弦桿均采用箱形結(jié)構(gòu)，上弦桿截面高度0.8 m，下弦桿截面高度1.3 m。節(jié)間長度為6.4 m，主桁架下弦桿間每3.2 m設(shè)置一道橫梁，橫梁高度1.3 m，下弦桿底板水平，橫梁下翼緣采用2%單向橫坡（見圖3）。

圖2 惠新港主橋總體布置圖（單位：mm）

圖3 惠新港主橋（左幅）斷面圖（單位：mm）

橋面系采用正交異性鋼橋面板，頂板設(shè)2.0%單向橫坡。鋼橋面板頂板厚14 mm，車行道范圍采用U形加勁肋，U形加勁肋標(biāo)準(zhǔn)間距為600 mm。人行道處采用板肋。上、下弦桿，端橫梁及最外側(cè)斜腹桿采用鋼箱截面，其余腹桿、中橫梁采用工字截面。桁架節(jié)點(diǎn)采用全焊接整體節(jié)點(diǎn)方案，鋼材均采用Q345qD。

鋼桁梁橋采用分段吊裝的方案，其中主桁在工廠分節(jié)段制作，運(yùn)輸至現(xiàn)場，搭設(shè)臨時(shí)墩進(jìn)行吊裝施工。臨時(shí)墩的設(shè)置需滿足水務(wù)、航道部門的要求，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際吊裝能力綜合確定。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

采用midas Civil建立單幅橋空間計(jì)算模型，并根據(jù)現(xiàn)行公路鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算（見圖4～圖10）。

圖4 主橋計(jì)算模型圖

圖5 基本組合下上弦桿最大應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6 基本組合下下弦桿上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖7 基本組合下下弦桿下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 基本組合下中腹桿最大應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖9 基本組合下橫梁上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10 基本組合下橫梁下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

基本組合作用下，結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力為184.8MPa，1.1×184.8 MPa＜270 MPa，滿足規(guī)范要求。

活載作用下結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為29.4 mm，29.4 mm＜L/500=130 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求（見圖 11、圖 12）。

圖11 恒載豎向撓度（單位：mm）

圖12 活載豎向撓度（單位：mm）

3.2 穩(wěn)定性分析

桁架橋分為整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定，而整體失穩(wěn)主要表現(xiàn)為面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)。該橋?yàn)殚_敞式桁架結(jié)構(gòu)，面外的側(cè)傾失穩(wěn)問題需引起足夠重視。彈性穩(wěn)定系數(shù)采用midas空間模型進(jìn)行屈曲分析，同時(shí)局部穩(wěn)定不應(yīng)先于整體穩(wěn)定發(fā)生，按照最不利作用得到結(jié)果匯總見表1。

表1 臨界荷載系數(shù)

桁架前三階均為面外失穩(wěn)，第一階面外穩(wěn)定系數(shù)為18.7，說明該橋型的面內(nèi)穩(wěn)定性較好，同時(shí)局部穩(wěn)定不先于整體穩(wěn)定發(fā)生，整體穩(wěn)定系數(shù)滿足不小于4的要求。

同時(shí)桁架橋的受壓桿件失穩(wěn)問題也不容忽視，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）進(jìn)行驗(yàn)算，上弦桿及腹桿的穩(wěn)定均滿足要求。

3.3 抗震分析

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）及《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011），該工程的抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)計(jì)方法采用A類，場地類型為Ⅳ類，場地特征周期為0.75 s，橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。采用midas Civil建立鋼桁架橋抗震分析計(jì)算模型，如圖13所示。

圖13 抗震計(jì)算模型

主梁、蓋梁、橋墩均采用梁單元模擬。墩頂和蓋梁采用彈性連接中的剛性模擬，承臺近似按剛體模擬，墩底與承臺中心同樣采用彈性連接中的剛性模擬。二期恒載以均布線質(zhì)量形式施加在梁單元上。

對單樁進(jìn)行內(nèi)力分析，采用具有6個(gè)自由度的彈簧對其進(jìn)行模擬，剛度系數(shù)由m法確定，扭轉(zhuǎn)剛度取較大值2.0×106，進(jìn)行E2地震作用分析時(shí)，模型中單元與連接均為彈性。

鋼桁架梁橋采用隔震設(shè)計(jì)方案，主橋支座采用鉛芯隔震橡膠支座，引橋小箱梁采用板式橡膠支座，并在橫梁處設(shè)置鉛芯隔震橡膠支座。

分析結(jié)果見表2～表4。

表2 E2地震作用下橋墩驗(yàn)算 kN·m

表3 E2地震作用下樁基驗(yàn)算 kN·m

表4 地震作用下支座水平位移驗(yàn)算 mm

設(shè)計(jì)地震作用下，各橋墩截面在縱橋向和橫橋向地震輸入下，橋墩截面彎矩均小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求；鉛芯隔震橡膠支座及板式橡膠支座的位移能力滿足墩頂變形需求；樁基抗力滿足抗震性能要求。

3.4 橋面系結(jié)構(gòu)參數(shù)化研究

為研究橋面系小縱梁剛度對開敞式桁架梁結(jié)構(gòu)受力特性的影響，在下弦桿等間距設(shè)置兩根小縱梁（只計(jì)入剛度，不計(jì)重量），以小縱梁高度為計(jì)算參數(shù)，對以下三個(gè)工況進(jìn)行分析：

工況1：不設(shè)置小縱梁。工況2：設(shè)置兩根小縱梁，小縱梁梁高0.6 m。工況3：設(shè)置兩根小縱梁，小縱梁梁高1.3 m。

3.4.1 對端橫梁的影響

從表5可以看出，隨著小縱梁梁高的增大，端橫梁內(nèi)力在恒載作用下逐漸增大，在活載作用下逐漸減小，說明通過設(shè)置小縱梁，可增大端橫梁的恒載分配比例，并小幅提高端橫梁對活載的橫向分配。

表5 小縱梁對端橫梁受力的影響

3.4.2 對中橫梁的影響

從表6可以看出，隨著小縱梁高度的增大，中橫梁內(nèi)力在恒載作用下變化不大，在活載作用下則明顯減小，說明通過設(shè)置小縱梁，可提高中橫梁對活載的橫向分配。

表6 小縱梁對中橫梁受力的影響

設(shè)計(jì)最終采用不設(shè)置小縱梁的方案，可以滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，施工方便。

4 結(jié) 語

通過對開敞式鋼桁梁橋的靜力、穩(wěn)定性、抗震進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）下承式簡支鋼桁梁橋的結(jié)構(gòu)高度較低、景觀性較好，可在城市橋梁中推廣采用。

（2）開敞式桁梁橋結(jié)構(gòu)受力較好、剛度較大、空間穩(wěn)定滿足要求、抗震性能好。

（3）橋面系小縱梁可增大端橫梁的恒載分配比例，提高中橫梁的活載橫向分配，在橋面寬度較大時(shí)，可通過設(shè)置小縱梁減小橫梁受力。