下承式鋼桁梁橋在城市橋梁中的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計

王朝華

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽 110013)

0 引言

隨著城市交通的飛速發(fā)展，下承式鋼桁梁在城市立交高度受限的橋梁中的應(yīng)用也日益增加。鋼桁橋綜合了鋼材和桁架結(jié)構(gòu)的特點，具有建筑高度低、跨越能力強(qiáng)、鋼桁架結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)、整體性好等特點，同時鋼桁架構(gòu)件適合于工業(yè)化制造，便于運輸和工地安裝，易于修復(fù)和更換。本文以長春市西安橋改造工程為例，介紹了下承式鋼桁梁在市政橋梁應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點以及施工方案，對鋼桁梁在城市橋梁中的應(yīng)用進(jìn)行有益的探討。

1 工程概況

西安橋位于長春市西安大路上，需同時跨越京哈鐵路和長春輕軌3號線，橋梁與鐵路正交。西安大路道路等級為城市主干道，設(shè)計橋梁荷載采用公路—Ⅰ級、設(shè)計行車速度60 km/h、橋面總寬度為41.2 m。根據(jù)總體規(guī)劃，本橋為雙幅橋，人行道布置于桁架外側(cè)，單幅橋全寬16.4 m，兩幅橋凈距2.1 m。

此次設(shè)計由于橋下京哈鐵路凈空的要求，橋梁兩側(cè)道路需相應(yīng)抬高。為減少道路抬高對兩側(cè)建筑物及路網(wǎng)的影響，下承式鋼桁梁具有一定的競爭力:

1)當(dāng)橋位處梁高受限嚴(yán)重時，下承式鋼桁梁的結(jié)構(gòu)高度具有特殊的優(yōu)勢。

2)鋼桁梁施工周期短，可以在兩側(cè)拼裝完成后，然后采用拖拉架設(shè)等便捷的施工方法，對既有鐵路線影響小。

3)鋼桁梁造型美觀，可以滿足城市橋梁對美學(xué)的較高要求。

雖然鋼橋具有造價較高，后期維護(hù)費用大等缺點，但在特定的橋位與限制條件下，鋼桁梁仍是一個經(jīng)濟(jì)合理的選擇。本橋由于橋梁建筑高度和施工周期受限嚴(yán)重，經(jīng)過多方案的技術(shù)比較后，確定采用下承式鋼桁梁方案。

與常見的鐵路下承式鋼桁梁相比，本橋采用鋼—混凝土結(jié)構(gòu)組合橋面系，滿足行車舒適性的要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋采用1－60 m下承式簡支鋼桁梁，每幅鋼桁梁橋由2片主桁、上下平面縱向聯(lián)結(jié)系、橋門架、橫向聯(lián)結(jié)系及橋面系組成。

2.1 主桁

主桁的形式較多，為方便制造安裝，本橋采用等高度帶豎桿的三角形腹桿體系。本橋計算跨度為60 m，主桁桁高9.5 m，主桁中心距15.9 m;全橋共10個節(jié)間，節(jié)間長6 m。

主桁桿件上、下弦桿均采用寬500 mm、高700 mm的焊接H形截面;斜桿采用寬500 mm、高600 mm的焊接H形截面;豎桿采用寬500 mm、高420 mm的焊接H形截面;端斜桿采用寬500 mm、高700 mm的焊接箱形截面。所有桿件均采用工廠焊接，在工地通過節(jié)點板用高強(qiáng)螺栓拼接。主桁示意圖見圖1。

圖1 主桁示意圖（單位：mm）

2.2 上、下平縱聯(lián)

上、下平面縱向聯(lián)結(jié)系均采用K形式，與弦桿在節(jié)點處相連，以抵抗橫向風(fēng)力及弦桿變形產(chǎn)生的內(nèi)力，縱向聯(lián)結(jié)系均采用工字形焊接截面。

2.3 橋門架及橫向聯(lián)結(jié)系

為滿足橋梁橫向剛度的要求，在桁架兩端斜桿所在的斜平面內(nèi)設(shè)置橋門架(見圖2)，上弦每兩個節(jié)點設(shè)置一道橫向聯(lián)結(jié)系，橋門架及橫聯(lián)均采用H形焊接截面。

圖2 橋門架示意圖（單位：mm）

2.4 橋面系

橋面系采用鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，由上部的混凝土橋面板和下部鋼梁通過剪力釘結(jié)合而成。

橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚15 cm，與縱、橫梁相交處設(shè)置承托，板厚增至30 cm。在每道橫梁處設(shè)置橫向現(xiàn)澆接縫，縱向現(xiàn)澆接縫間距4 m。

鋼梁采用縱橫梁體系，縱橫梁均采用工字形截面。

縱梁梁高500 mm，縱梁間距2.2 m?？v梁腹板通過角鋼與橫梁連接?？v梁與橫梁的連接處設(shè)魚形板，并在縱梁連接端下方設(shè)連接牛腿［1］。

橫梁梁高由990 mm變至1 220 mm，以適應(yīng)橋面橫坡變化。橫梁采用高強(qiáng)螺栓與主桁連接。

縱、橫梁上翼緣頂面設(shè)置剪力釘與橋面板相連［2］。在縱梁跨中設(shè)置縱梁間橫向聯(lián)結(jié)系，對縱梁有彈性支撐作用，能夠降低縱梁的跨中最大正彎矩，減少縱梁截面。

在橫梁下緣設(shè)置下平聯(lián)與主桁相連，使橋面系與主桁形成共同受力體系，增大了橋面系的整體剛度。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 主桁結(jié)構(gòu)計算

全橋整體靜力分析采用空間有限元程序MIDAS計算，模型中桿件主要包括上弦桿、下弦桿、豎桿、斜桿、縱梁、橫梁、托架、橫聯(lián)及上下平聯(lián)，桿件均采用桿系單元。邊界條件為E0處設(shè)固定鉸支座，E0′處設(shè)置活動鉸支座，橫橋向僅在上游側(cè)設(shè)置橫向約束。有限元模型圖見圖3。

圖3 空間計算模型圖

經(jīng)計算表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.2 橫梁計算

橫梁計算時，假定橫梁為支撐于主桁節(jié)點的簡支梁、每片橫梁承受一個節(jié)間的恒載、活載縱向兩個節(jié)間進(jìn)行最不利加載、橫向按四車道最不利加載。

3.3 縱梁計算

縱梁計算時，假定縱梁為支撐于橫梁上的連續(xù)梁、每片縱梁承受一個節(jié)間的恒載(橫向承擔(dān)的恒載為2.2 m寬)、活載縱向多節(jié)間進(jìn)行最不利加載、橫向按四車道最不利加載。

3.4 主桁節(jié)點計算

節(jié)點計算包括桿件連接計算和節(jié)點板計算。

4 施工方案

鋼桁梁通常采用的施工方法有懸臂施工法、門吊施工法、縱向拖拉法等。本橋根據(jù)橋梁所處的位置及現(xiàn)場實際的情況，采用拖拉架設(shè)法施工。

首先在橋跨附近合適位置平整場地，布置拼裝支架及拖拉支架，拼裝支架頂面布置拼裝平臺，鋼梁在拼裝平臺上使用吊機(jī)安裝，通過牽引裝置在拖拉支架上滑移鋼梁至橋跨處，鋼梁調(diào)整后就位，進(jìn)行下一步橋面附屬施工。鋼桁梁拼裝支架采用排式支架，結(jié)構(gòu)可為萬能桿件或鋼管形式，支架基礎(chǔ)根據(jù)受力情況可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)。支架的跨度根據(jù)設(shè)計及計算要求確定，結(jié)構(gòu)形式一般為樁基礎(chǔ)，鋼桁梁前端設(shè)導(dǎo)梁用于滑移牽引，拖拉采用卷揚機(jī)滑輪組作動力。鋼梁一般一次性拼裝完成，整體拖拉到位，若為節(jié)省下滑道長度，亦可隨拼隨拖。

5 結(jié)語

1)下承式鋼桁梁橋已被廣泛用于鐵路橋梁中，隨著科技的進(jìn)步，在公路和城市橋梁的新建和改建工程中，當(dāng)橋下凈空和施工工期受限時，下承式鋼桁梁橋具有巨大的優(yōu)勢。

2)鋼桁梁橋的設(shè)計除了注重主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計外，還應(yīng)注重節(jié)點連接、橋面系構(gòu)造等細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計處理。

3)設(shè)計過程中，應(yīng)充分征求有經(jīng)驗的鋼梁制作廠家和施工單位的建議，按照可行的制造工藝和施工方案進(jìn)行設(shè)計，對設(shè)計和施工具有很大的益處。

［1］ 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.