一座下承式公路鋼桁架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
摘要：通過鋼桁架橋的設(shè)計(jì)，針對鋼桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、桿件截面選用、結(jié)構(gòu)計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)防腐等方面，為相近跨徑鋼桁架橋梁設(shè)計(jì)提供參考。
1.概述
鋼桁架橋以其跨越能力強(qiáng)、施工速度快、承載能力強(qiáng)、耐久性好普遍應(yīng)用于鐵路橋梁。長期以來，由于鋼材價(jià)格高，材料養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，鋼桁架橋梁在公路領(lǐng)域應(yīng)用較少。近年來，隨著我國煉鋼水平的提高，國產(chǎn)的鋼材品質(zhì)已經(jīng)完全能滿足結(jié)構(gòu)安全的需要，同時(shí)隨著鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的提高，鋼結(jié)構(gòu)橋梁越來越多的在公路工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。
相比較我國當(dāng)前100m左右中等跨徑常用的橋型如連續(xù)梁、系桿拱、矮塔斜拉橋等結(jié)構(gòu)，鋼桁架橋梁雖然建筑成本高，但刨去成本控制的因素，鋼桁架橋具有以下的幾點(diǎn)優(yōu)越性：1.建筑高度低，由于鋼桁架結(jié)構(gòu)主桁主要由拉桿和壓桿構(gòu)成，對桿件界面的抗彎剛度要求不大，因此鋼桁架的建筑高度由橫梁控制，在橋梁寬度不是非常大時(shí)可極大的降低橋梁建筑高度，尤其適用于對橋梁建筑高度有嚴(yán)格限制的橋梁；2.施工周期短，速度快。鋼桁架施工可在工廠制作桿件，運(yùn)到現(xiàn)場拼裝成橋，可采用頂推和支架拼裝等方法，這使它在很多工期較緊的工程（如重要道路的橋梁改建）和跨越重要道路的跨線橋上成為橋型首選之一；3.隨著鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的提高，鋼桁架橋的耐久性大為提高，同時(shí)鋼材作為延性材料，結(jié)構(gòu)安全性較混凝土橋梁高。正因?yàn)殇撹旒軜蛄旱倪@幾方面的優(yōu)點(diǎn)，桁架橋梁成為特定條件下的經(jīng)濟(jì)而合理的橋型選擇。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
公路橋位于江蘇省境內(nèi)，正交跨越京杭大運(yùn)河，河口寬95m，通航凈空要求90x7m，橋梁主跨采用97m，由于橋梁中心至橋頭平交處距離僅140余米，若采用其他結(jié)構(gòu)縱坡將達(dá)到5%以上，經(jīng)綜合考慮，主橋采用97m下承式鋼桁架結(jié)構(gòu)。
2.1主桁
主桁采用帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系，節(jié)間長度5.35m，主桁高度8m，高跨比為1/12.04。兩片主桁中心距為8.6m，寬跨比為1/11.2，橋面寬度為8m。
圖1主桁一般構(gòu)造圖
主桁上下弦桿均采用箱形截面，截面寬度500mm，高度均為540mm，板厚20～24mm，工廠焊接，在工地通過高強(qiáng)度螺栓在節(jié)點(diǎn)內(nèi)拼接。除端斜桿采用箱形截面以增加面內(nèi)外剛度外，其余腹桿均采用焊接H形截面，截面寬度500mm，高度均為400mm，最大板厚24mm。
2.2橋面系
橋面系為聯(lián)合梁，由下面的鋼梁和上面的橋面板結(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870mm，為工字形截面，與主桁在節(jié)點(diǎn)上通過高強(qiáng)螺栓連接；縱梁高420mm，也采用工字形截面，上翼緣與橫梁上翼緣的底面齊平，在縱梁腹板上設(shè)一對角鋼與橫梁腹板相連，橫向每2m設(shè)置一道；橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚15cm，與縱、橫梁相交處帶肋，板厚增至20cm，通過剪力釘與橫梁、縱梁相連。
2.3上、下平縱聯(lián)
上、下平面縱向聯(lián)結(jié)系均采用交叉式，與弦桿在節(jié)點(diǎn)處相連，以抵抗橫向風(fēng)力及弦桿變形產(chǎn)生的內(nèi)力。在桁梁兩端斜桿所在的斜平面設(shè)置橋門架，上弦節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)一道橫向聯(lián)結(jié)系。
2.4節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
桿件以16mm厚節(jié)點(diǎn)板連接，連接采用M24高強(qiáng)錨栓，設(shè)計(jì)預(yù)緊力為240kN。
2.5技術(shù)指標(biāo)
工程用鋼量為600kg/㎡。
3.結(jié)構(gòu)計(jì)算
主橋計(jì)算采用空間有限元程序midasCivil2010進(jìn)行分析，主桁、橫梁、上下平縱聯(lián)采用桁架單元，橋面板采用厚板單元模擬。全橋共劃分單元6624個(gè)，其中桁架單元3712個(gè)，板單元2912個(gè)。橋面鋪裝、防撞護(hù)欄等二期恒載采用平面荷載施加在橋面板上，移動(dòng)荷載采用車道面加于橋面板上，全橋模型如下：
圖2全橋計(jì)算模型
3.1結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算
結(jié)構(gòu)按如下工況進(jìn)行計(jì)算，分別是工況一：自重+二期恒載；工況二：自重+二期恒載+整體升溫+日照溫差+汽車荷載；工況三：自重+二期恒載+整體降溫+日照溫差+汽車荷載。根據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，承載能力狀態(tài)上弦桿壓應(yīng)力為170.7MPa，下弦桿最大拉應(yīng)力為86.2MPa，均小于Q345鋼設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其中上弦桿應(yīng)力控制設(shè)計(jì)。
使用狀態(tài)下橫梁跨中承受正彎矩引起的彎曲應(yīng)力，橫梁與下弦桿節(jié)點(diǎn)處承受固端彎矩引起的二次應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果橫梁上下緣應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，其中橫梁上緣因節(jié)點(diǎn)固端彎矩產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為120Mpa，控制設(shè)計(jì)。
在使用狀態(tài)下，汽車荷載產(chǎn)生的豎向撓度為5.7cm，小于L/800=12.1cm，滿足規(guī)范要求。自重+二期恒載+汽車工況下桁架跨中最大撓度為21.8cm，大于L/1600=6.1cm，需要設(shè)置預(yù)拱度，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》（JTJ025-86）需設(shè)置自重+1/2活載產(chǎn)生的豎向撓度作為預(yù)拱度，本橋預(yù)拱度采用18.9cm。
3.2結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算
由于橋?qū)捿^窄，故結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性成為主要控制因數(shù)。本橋整體穩(wěn)定采用MidasCivil2010進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)是上弦桿平面外失穩(wěn)，臨界荷載特征值系數(shù)為25，滿足規(guī)范要求。
4.結(jié)構(gòu)防腐
防腐作為影響橋梁耐久性的重要方面，在設(shè)計(jì)中作了周密的考慮。對□型構(gòu)件所用的鋼板需作預(yù)處理。即：拋丸（或噴砂）除銹至Sa2.5級，噴涂醇溶無機(jī)硅酸鋅車間底漆20～30微米。
（1）鋼結(jié)構(gòu)外表面
表面處理：噴砂除銹等級Sa2.5級，表面粗糙度25～60μm
底漆水性無機(jī)富鋅IC-100兩道共80μm
封閉漆環(huán)氧磷酸鹽封閉漆IC-123一道20μm
中間漆環(huán)氧云鐵中間漆IC-200兩道共100μm
面漆丙烯酸聚氨酯面漆IC-300兩道共80μm
合計(jì)280μm
（2）□型構(gòu)件內(nèi)表面
表面處理：電動(dòng)工具打磨焊縫至St3級。其它部位用電動(dòng)工具清除浮塵及污染物。并用除油劑清除油漬。
底漆環(huán)氧富鋅底漆IC-101一道或兩道50μm
面漆環(huán)氧厚漿漆IC-302兩道共200μm
�。�3）縱橫梁頂面
表面處理：噴砂除銹等級Sa2.5級，表面粗糙度25～60μm
單層水性無機(jī)富鋅IC-100兩道共100μm
�。�4）高強(qiáng)螺栓連接面
表面處理：噴砂除銹等級Sa2.5級，表面粗糙度25～60μm
低溫潮濕季節(jié)涂裝時(shí)
單層無機(jī)富鋅防銹防滑涂料IC-108兩道共100μm
高溫干燥季節(jié)涂裝時(shí)
單層無機(jī)富鋅防銹防滑涂料IC-109兩道共100μm
5.施工方法
本橋梁位于交通繁忙的航道，航道交通量非常大，不能采用斷航的施工方案，施工時(shí)所有桿件在工廠切割加工，在橋梁引橋上現(xiàn)場拼裝焊接成整體，采用浮運(yùn)拖拉方案架設(shè)橋梁，最后施工橋面板、鋪裝、護(hù)欄等橋面設(shè)施。
6.結(jié)語
�。�1）鋼桁架以其快速的施工速度，較大的跨越能力，在橋梁建筑高度和建筑工期受限時(shí)，越來越多的作為橋型選擇的首選方案。
�。�2）鋼桁架主桁設(shè)計(jì)時(shí)上弦桿為主要控制設(shè)計(jì)的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)注意驗(yàn)算上弦桿的局部穩(wěn)定和作為壓桿的面內(nèi)面外穩(wěn)定，確保結(jié)構(gòu)安全。為了施工的方便，下弦桿的斷面尺寸可依據(jù)上弦桿確定。
�。�3）橫梁設(shè)計(jì)時(shí)需注意節(jié)點(diǎn)板處固端彎矩引起的二次應(yīng)力，大部分桁架橋中自重引起的二次應(yīng)力超過了活載引橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者足夠重視。
�。�4）設(shè)計(jì)中應(yīng)充分征求鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家和防腐涂料生產(chǎn)廠家的意見，確保設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。
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