大跨度簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案研究

孔璞

[上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125]

1 工程概況

鹽鐵塘大橋橋位位于規(guī)劃正夫路上，上跨鹽鐵塘（Ⅵ級(jí)航道），主橋與河道斜交49.5°。作為太倉(cāng)南站的站前路，正夫路是太倉(cāng)南站的快速疏散通道，鹽鐵塘大橋是正夫路往南跨越鹽鐵塘，連接太倉(cāng)南站與南部片區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著重要的交通功能（見(jiàn)圖1）。

圖1 項(xiàng)目橋址圖

結(jié)合總體豎向設(shè)計(jì)、河道通航要求及周邊環(huán)境要素等實(shí)際情況，通過(guò)前期一系列的方案比選與論證，跨河主橋橋型最終確定為下承式鋼桁架橋，如圖2所示。

圖2 鹽鐵塘大橋鳥瞰圖

2 主橋總體布置[1]

鹽鐵塘主橋采用1×90 m等高度下承式鋼桁架橋，全寬44.5 m，分兩幅布置。每幅橋設(shè)兩片主桁，桁架中心間距為17.5 m。主桁采用等高度帶豎桿的華倫式桁，桁架高11 m。全橋采用等節(jié)間布置，節(jié)間距8 m，全橋共11個(gè)節(jié)間。鹽鐵塘大橋立面布置圖如圖3所示。

圖3 鹽鐵塘大橋立面布置圖（單位：mm）

由于鹽鐵塘主橋平面位于道路平曲線段，而鋼桁架橋無(wú)法適應(yīng)平面曲線變化，故通過(guò)加寬分隔帶的方式，確保主橋范圍內(nèi)人、車通行凈空的需求。如圖4所示，主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為3.0 m（人行道）+1.5 m（人非分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.75 m（機(jī)非分隔帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+4.0 m（中央分隔帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.75 m（機(jī)非分隔帶）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+1.5 m（人非分隔帶）+3.0 m（人行道）=44.5 m。主橋結(jié)構(gòu)采用Q355qD鋼材，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)（按城-A級(jí)復(fù)核），人群荷載按3.5 kN/m2進(jìn)行計(jì)算?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防分類為B類。

圖4 鹽鐵塘大橋斷面圖（單位：mm）

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]

主桁是鋼桁架橋的主要承重結(jié)構(gòu)。由于鹽鐵塘大橋全橋共4片主桁，倘若節(jié)間小會(huì)增加整體視覺(jué)的凌亂感，故主桁節(jié)間距取用較大的8 m，由此造成了節(jié)間奇數(shù)。因此，在中間的節(jié)間采用腹桿相交的方法來(lái)避免受力不對(duì)稱。主桁上、下弦桿為焊接箱型截面，截面尺寸分別為600×900 mm和600×1 300 mm。腹桿截面形式分為箱型和“工”字型兩種，其中最外側(cè)腹桿為焊接箱型截面，截面尺寸600×900 mm，其余均為焊接“工”字型截面，截面寬度480～800 mm，截面高度600 mm。主桁節(jié)點(diǎn)均采用整體節(jié)點(diǎn)。

上弦桿平聯(lián)采用交叉形桁式，桿件采用焊接“工”字型截面，截面尺寸400×400 mm。主桁在最外側(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置橋門架，橋門架與最外側(cè)腹桿平行布置，截面為倒“T”型。主桁設(shè)置4道橫聯(lián)，橫聯(lián)豎向鉛錘大地。

橋面采用250 mm厚混凝土橋面板，鋼梁采用縱橫梁體系。為加快施工進(jìn)度，提高成品質(zhì)量，橋面板除端橫梁外，其余范圍均采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，預(yù)制橋面板之間設(shè)縱、橫向濕接縫。全橋共設(shè)3道縱梁、2道端橫梁、32道中橫梁，縱梁及中橫梁采用“工”字型截面，端橫梁采用矩形閉口箱型截面。為了保證混凝土板與鋼梁共同工作,在鋼梁頂面設(shè)置了圓柱頭焊釘剪力鍵,使鋼梁與橋面板形成鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)共同受力。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接基于“傳力明確、安全可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于施工”的原則，目前主要連接方式有焊接連接和螺栓連接（普通螺栓，高強(qiáng)螺栓）。螺栓連接雖然加工方便，可拆換，耐疲勞，塑性、韌性好，但其摩擦面處理，安裝工藝略為復(fù)雜，后期養(yǎng)護(hù)工作量大，造價(jià)略高。焊接連接施工方便，經(jīng)濟(jì)性好，后期養(yǎng)護(hù)工作量也小，因而本橋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接均采用焊接連接。

4 主橋受力分析

（1）靜力分析

鹽鐵塘大橋上部結(jié)構(gòu)總體計(jì)算采用Midas軟件建立全橋三維空間桿系模型，桁架桿件采用梁?jiǎn)卧M，混凝土板采用板單元模擬。桁架單元與混凝土板單元之間通過(guò)彈性連接進(jìn)行組合。鹽鐵塘大橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 鹽鐵塘大橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

整體模型考慮5個(gè)施工階段，分別為鋼結(jié)構(gòu)架設(shè)——混凝土板施工——栓釘連接——橋面系施工——收縮徐變。通過(guò)最不利工況進(jìn)行組合，各主要桿件基本組合作用下應(yīng)力數(shù)值詳見(jiàn)表1。

表1 主要桿件基本組合應(yīng)力表

由于桿件受壓會(huì)造成失穩(wěn)，因此需對(duì)受壓構(gòu)件進(jìn)行整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定的驗(yàn)算。整體穩(wěn)定通過(guò)計(jì)算構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，而局部穩(wěn)定則通過(guò)計(jì)算構(gòu)件的板件有效寬度來(lái)計(jì)入。主要桿件穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要桿件穩(wěn)定系數(shù)表

根據(jù)受力分析，上弦桿及端腹桿按箱型截面驗(yàn)算整體穩(wěn)定，最大壓應(yīng)力分別為227.8 MPa和242.5 MPa，均小于規(guī)范要求的260 MPa。斜腹桿及直腹桿“工”字型截面按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算整體穩(wěn)定，y方向系數(shù)分別為0.672和0.34，z方向系數(shù)分別為0.819和0.355，均小于1。因此，主橋鋼桁架各主要桿件的強(qiáng)度及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求[2]。

鹽鐵塘大橋地處郊區(qū)，周邊地形較為空曠平坦，人群、非機(jī)動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車及風(fēng)荷載均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)對(duì)空間模型施加作用力（1.0×恒載+1.0×車道荷載+1.0×非機(jī)動(dòng)車荷載+1.0×人群荷載+1.0×風(fēng)荷載）進(jìn)行全橋屈曲計(jì)算。其中車道荷載、非機(jī)動(dòng)車荷載和人群荷載按靜力荷載布置在橋面相應(yīng)位置。

計(jì)算結(jié)果表明，1～9階失穩(wěn)模態(tài)臨界荷載系數(shù)均大于5，主橋上部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求[2]（見(jiàn)圖6、圖7）。

圖6 1～8階失穩(wěn)模態(tài)（斜腹桿失穩(wěn)）

圖7 9階失穩(wěn)模態(tài)（上平聯(lián)失穩(wěn)）

（2）抗震分析

鹽鐵塘大橋橋位處地震基本烈度7度，抗震設(shè)防烈度8度，橋梁抗震設(shè)防分類為B類。在E2地震作用下，橋梁固定墩橋墩和樁基承載力無(wú)法滿足要求。且由于橋墩墩高較小，難以進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，故考慮采用拉索減震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。

根據(jù)減隔震設(shè)計(jì)方案采用Midas模型進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)分析，拉索支座采用一般連接模擬，采用滯后系統(tǒng)模擬盆式支座，鉤單元及間隙單元模擬拉索。

計(jì)算結(jié)果表明，拉索減震支座可以滿足主橋在E2地震作用下的各項(xiàng)承載力要求。

5 主橋施工方案設(shè)計(jì)[3]

由于鹽鐵塘河道水深較淺，常水位水深僅3～4 m，在靠近河岸的位置更是堆積了大量的淤泥，大型船只無(wú)法在橋位附近靠岸，因此無(wú)法采用浮托頂推或船吊等施工方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)多方論證及比選后，確定主橋采用拖拉施工的方案（如圖8、圖9所示）。主橋北岸的場(chǎng)地較為空曠，將鋼桁架分段從加工廠運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，在北岸對(duì)鋼桁架進(jìn)行拼裝，通過(guò)在鋼桁架前方設(shè)置導(dǎo)梁，將其逐步從北岸拖拉至南岸就位，單次拖拉步距約為8 m。

圖8 拖拉施工現(xiàn)場(chǎng)1

圖9 拖拉施工現(xiàn)場(chǎng)2

（1）在北岸支架上拼裝部分鋼桁架，并在鋼桁架前段安置導(dǎo)梁，如圖10所示。

圖10 施工步驟圖一

（2）向前拖拉一段距離后，拼裝剩余的鋼桁架，如圖11所示。

圖11 施工步驟圖二

（3）繼續(xù)向前拖拉鋼桁架，如圖12所示。當(dāng)導(dǎo)梁前端快到南岸支架，此時(shí)整個(gè)施工結(jié)構(gòu)處于懸臂最大狀態(tài)，導(dǎo)梁前端變形最大，后端支反力最小，是施工期間的一個(gè)重要控制節(jié)點(diǎn)。通過(guò)建立Midas空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，此時(shí)整個(gè)施工結(jié)構(gòu)基本組合下最大應(yīng)力為117.5 MPa，導(dǎo)梁前端最大變形123 mm，導(dǎo)梁后端最小支反力679 kN。施工階段的應(yīng)力、變形及抗傾覆[4]均能滿足要求。

圖12 施工步驟圖三

（4）繼續(xù)向前拖拉鋼桁架，直至結(jié)構(gòu)就位，落梁并拆除導(dǎo)梁。如圖13所示。

圖13 施工步驟圖四

6 結(jié) 語(yǔ)

截至2021年底，鹽鐵塘大橋主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部施工完成，如圖14所示。在整個(gè)主橋施工過(guò)程中，確保了航道的正常運(yùn)營(yíng)。鹽鐵塘大橋結(jié)構(gòu)受力合理，橋型簡(jiǎn)潔美觀，充滿力量感。本文著重就主橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析及施工要點(diǎn)進(jìn)行了論證，可以為今后類似鋼桁架橋的設(shè)計(jì)提供參考。

圖14 鹽鐵塘大橋