不老河大橋簡(jiǎn)支鋼桁架主橋上部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

張燦華，劉樊程

(徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 徐州市 221006)

簡(jiǎn)支鋼桁架橋其優(yōu)美的造型、高強(qiáng)的跨越能力、良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保型，使得簡(jiǎn)支鋼桁架橋不僅在鐵路橋梁中應(yīng)用廣泛，如今在公路及城市橋梁中的應(yīng)用也越來越多，伴隨著防腐涂裝技術(shù)的發(fā)展，更推動(dòng)著這一橋型的普及推廣。

1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目建設(shè)工程跨越不老河，路線與不老河右偏角為87.3°，該處不老河為二級(jí)航道,最高通航水位29.43m，最低通航水位25.83m，通航凈空為70×7m。本橋主橋采用1-81.5m簡(jiǎn)支鋼桁架橋一孔跨越通航水域，主橋?yàn)榈雀咪撹旒?，主梁為三角桁架，橫向采用兩片主桁結(jié)構(gòu)，主桁中心距27.5m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間距10.0m；橋梁引橋采用30m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，全橋跨徑組合為2×(3×30)m+81.5m+2×(3×30)m，橋梁全長(zhǎng)449.86m，橋梁下部結(jié)構(gòu)主橋采用柱式墩，群樁基礎(chǔ)，引橋采用柱式墩、臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

不老河大橋平面位于直線段內(nèi)，豎曲線為凸曲線，半徑為R=6500m，縱坡為2.5%，變坡點(diǎn)最高點(diǎn)位于不老河航道中心線處。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 主桁

主桁采用不帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系，節(jié)間長(zhǎng)度10.0m，主桁上弦采用直線形，主桁高度10.5m；兩片主桁中心距為27.5m，橋面寬26m；主桁上、下弦桿采用箱形截面，上下弦桿均采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，在工廠內(nèi)將桿件和節(jié)點(diǎn)板、各連接件的接頭板焊成一體，運(yùn)到工地工廠架設(shè)時(shí)，在工地通過高強(qiáng)螺栓在節(jié)點(diǎn)之外拼接。弦桿截面內(nèi)寬700mm，內(nèi)高700mm，其中豎板分為20、30、40、50mm四種，水平板厚分為20、30、40、50mm，為與混凝土板結(jié)合，下弦桿水平板伸出300mm，豎板伸出250mm，弦桿采用高強(qiáng)度螺栓四面對(duì)拼連接方式。

主桁端斜桿采用箱形截面，截面尺寸同上下弦桿，豎板厚40mm，水平板厚40mm；第2、3、4#腹板采用箱形截面，截面內(nèi)高均為700mm，豎板及水平板板厚均為30mm。其余斜腹桿采用H型截面，截面高度均為700mm，豎板板厚度18mm，水平板厚度24mm。箱形腹桿采用插入節(jié)點(diǎn)板四面連接方式，H形腹板均采用插入節(jié)點(diǎn)板兩面連接方式。

2.2 預(yù)拱度

橋址處路線縱斷面為雙向2.5%縱坡，豎曲線半徑R=6500m，主橋鋼桁梁根據(jù)路線縱斷面及恒載+1/2活載撓度反向值疊加進(jìn)行預(yù)拱度的設(shè)置，鋼梁豎曲線通過設(shè)置預(yù)拱度和局部調(diào)整鋪裝層厚度綜合實(shí)現(xiàn)。

鋼桁梁結(jié)構(gòu)的起拱，采用下弦節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度不變，伸長(zhǎng)或縮短上弦節(jié)間長(zhǎng)度的方法實(shí)現(xiàn)。

2.3 聯(lián)結(jié)系

橋梁在上弦設(shè)置上平聯(lián)。上平聯(lián)采用K形，由斜桿和橫向撐組成，斜桿與橫撐均為工字形截面，截面高度均為500mm，寬度均為500mm。

2.4 橋面縱、橫梁結(jié)構(gòu)

橋面縱梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為10.0m，主梁橫向共設(shè)置9道縱梁，縱梁橫向間距3m，全橋縱梁共分為標(biāo)準(zhǔn)縱梁及端縱梁兩種類型。

在下弦每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，縱梁支撐在橫梁上，中橫梁采用工字型截面，梁高1.2～2.455m，橫梁頂設(shè)雙向2.0%橫梁，橫梁頂板與下弦桿伸出頂板焊接，腹板及底板與節(jié)點(diǎn)伸長(zhǎng)板件均采用螺栓連接，橫梁腹板上設(shè)豎向加勁肋。中橫梁頂板寬600mm、厚50mm，底板寬1000mm、厚50mm，腹板厚32mm。

端橫梁采用箱形截面，高度為1.2～2.455m，內(nèi)寬為1240mm，橫梁頂設(shè)雙向2.0%橫坡，橫梁頂板與下弦桿伸出頂板焊接，腹板及底板均采用螺栓連接，橫梁腹板上設(shè)豎向加勁肋，端橫梁頂、底板寬2080mm，厚均為50mm，腹板厚度20mm。

縱梁為工字型截面，梁高為800mm，頂板寬500mm、厚20mm，底板寬400mm、厚24m，腹板厚14mm。

縱梁與橫梁相交處，縱梁底板穿過開孔橫梁腹板。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS三維空間有限元軟件進(jìn)行全橋靜力分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下各構(gòu)件的受力狀況及正常使用狀況下的撓度；并對(duì)全橋進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算，同時(shí)分析結(jié)構(gòu)自振頻率和振型。

靜力分析模型中，主桁、平聯(lián)、橋門架等單元均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板、鋪裝和護(hù)欄等作為荷載模擬，全橋共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)量151個(gè)，梁?jiǎn)卧獢?shù)量296個(gè)；動(dòng)力特性分析模型中，橋面板采用板單元模擬，其余桿件采用梁?jiǎn)卧M，鋪裝和護(hù)欄等作為荷載模擬，全橋共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)量151個(gè)，梁?jiǎn)卧獢?shù)量296個(gè)，板單元數(shù)量80個(gè)。

圖2 主橋計(jì)算模型

3.2 相關(guān)參數(shù)

(1)恒載

一期恒載：按構(gòu)件實(shí)際斷面計(jì)入。

二期恒載：橋面板、橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等。

(2)活載

汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，橫橋向按4車道考慮。

(3)溫度荷載

設(shè)計(jì)溫度：假定合龍溫度為20℃。

主橋所在區(qū)域?yàn)楹涞貐^(qū)，參照規(guī)范整體升降溫取±30℃。梯度溫度按照《公路橋涵通用規(guī)范》(JTJ D60-2015)4.3.12條計(jì)算。

(4)風(fēng)荷載

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)規(guī)定執(zhí)行。

3.3 荷載組合

本工程主橋設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，應(yīng)取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。根據(jù)《公路橋涵通用規(guī)范》(JTJ D60-2015)的相關(guān)條文進(jìn)行最不利荷載組合。

3.4 主橋總體計(jì)算結(jié)果

3.4.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算

主橋中主桁鋼板、聯(lián)結(jié)系均采用Q370qD，按照《公路橋涵通用規(guī)范》(JTG D60-2015)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行最不利荷載組合，應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果以拉為正，壓為負(fù)。

(1)主桁架上弦桿

圖3 上弦桿最不利荷載組合應(yīng)力圖

主桁架上弦桿均為受壓，最大壓應(yīng)力位于跨中-167.5MPa，最小壓應(yīng)力-101.66MPa。

(2)主桁架下弦桿

圖4 下弦桿最不利荷載組合應(yīng)力圖

主桁架下弦桿均為受拉，最大拉應(yīng)力151.54MPa，最小拉應(yīng)力39.29MPa。

(3)主桁架腹桿

主桁架腹桿按受力不同分為拉桿和壓桿，壓桿最大壓應(yīng)力位于E0A1桿件，為-204.31MPa，拉桿最大拉應(yīng)力位于E1A1桿件，為215.4MPa。見圖5。

(4)主桁架上平聯(lián)

主桁架上平聯(lián)最大壓應(yīng)力位于A4節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上平聯(lián)橫桿，為-101.25MPa，最大拉應(yīng)力位于橋門架斜桿，為44.34MPa。見圖6。

圖5 腹桿最不利荷載組合應(yīng)力圖

圖6 上平聯(lián)最不利荷載組合應(yīng)力圖

(5)主桁架橫梁

圖7 橫梁最不利荷載組合應(yīng)力圖

主桁架橫梁最大壓應(yīng)力位于E2節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫梁中部，為-156.07MPa，最大拉應(yīng)力位于E2節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫梁端部，為242.65MPa。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，主橋主要構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算匯總見表1。

表1 應(yīng)力驗(yàn)算匯總表

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算表明，主橋主要構(gòu)件應(yīng)力均能夠滿足規(guī)范要求。

3.4.2結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果知，恒載作用下?lián)献畲笪灰?8.2mm，汽車荷載作用下?lián)献畲笪灰?4.9mm。w=15mm

圖8 恒載作用下結(jié)構(gòu)下?lián)献冃螆D

圖9 汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)下?lián)献冃螆D

3.4.3結(jié)構(gòu)支座反力驗(yàn)算

全橋共4個(gè)支座，1個(gè)固定支座，1個(gè)雙向支座，2個(gè)單向支座。

根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)組合下最大支反力值為9461.7 kN，所選用支座設(shè)計(jì)承載力為12.5MN，9461.7kN<12500kN，故支座選取滿足要求。

3.4.4結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性分析

動(dòng)力特性分析模型中，除橋面板采用板單元進(jìn)行模擬外，其余桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算得結(jié)構(gòu)的前6階自振頻率，結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)前六階自振頻率

4 結(jié)論

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)橋梁美觀、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，簡(jiǎn)支鋼桁架橋外形優(yōu)美，施工過程環(huán)?？煽?，且建筑高度低，跨越能力強(qiáng)，有效減小橋梁規(guī)模，經(jīng)濟(jì)效益好。在今后的橋梁建設(shè)項(xiàng)目中具有很強(qiáng)的適用性。