宜興市頂上橋桁架結構總體計算及節點設計

王碩

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市　200092）

宜興市頂上橋桁架結構總體計算及節點設計

王碩

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

宜興市蕪申運河頂上橋是一座景觀鋼桁架橋。造型參考上海市著名的地標性建筑百年老橋外白渡橋。跨度為85 m，橋寬30 m，簡支下承式桁架結構。如何在材料、工藝做法都已經發生巨大變化的情況下，做出與歷史建筑相似的設計細節和風格是項目的難點。介紹了此桁架橋的總體計算和節點設計，以期對類似橋梁起到借鑒作用。

鋼桁架橋；鉚接；總體計算；宜興市

0　引言

該橋為城市景觀橋梁，采用簡支鋼桁架結構體系，橋面采用疊合梁橋面。

主橋全長85 m，橋寬30 m，共設置兩榀桁架，桁架片橫向間距（中心距）為17 m。桁架最高點距離橋面高度為13.26 m（跨中位置）。桁架共分為11個節間，節點處設置橫梁，節間間距為7.66 m，橫梁跨中高度為2 m（包括25 cm混凝土橋面板厚度）。橫梁間設置小縱梁。

該結構與常規桁架橋相比，存在以下特點：

（1）為體現通透的景觀效果，桁架腹桿采用格構式，腹板鏤空，并以X形綴條連接。

（2）該橋栓接節點全部采用扭剪型高強螺栓，螺帽朝內設置，外側造型與鉚釘相似，造型美觀。

（3）為兼顧施工便利和造型美觀，采用栓焊結合結構，上下弦桿全部采用焊接，弦桿腹板外伸形成整體式節點板，利用拼板與腹桿栓接。

1　桁架主要尺寸布置

主桁架共分為11個節間，節間長度7.66 m，桁架最高點距離橋面高度為13.26 m（跨中位置）。上弦桿采用箱型截面，高0.9 m，寬1.0 m，頂板、底板、腹板厚度均為36 mm。下弦桿采用箱型截面，高1.2 m，寬1.0 m，頂底板為30 mm，腹板厚24 mm。腹桿采用H型斷面，除第一斜腹桿采用實腹式斷面外，均采用格構式斷面，寬度0.66 m。總體立面布置見圖1。

圖1　主橋總體立面圖（單位：m）

2　主要技術標準

2.1主要橋梁技術標準

（1）橋梁等級：城市大橋；

（2）設計荷載：新建橋梁按汽車荷載為城-A級，人群荷載按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取用；

（3）地震基本烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05 g，橋梁抗震設防分類為丁類；

（4）橋梁設計安全等級：一級。

2.2使用規范

本設計中，結構計算參照《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025-86）采用容許應力法計算；設計荷載取值參照《城市橋梁設計規范》（JTG D60—2004）。

3　桁架總體計算［1，2］

本次靜力計算采用橋梁結構專用有限元分析軟件“Midas Civil 2013 V8.0.5”對橋梁進行整體靜力計算。模型采用梁單元與板單元混合建模，將全橋離散為有限元模型：上下弦桿及端橫梁采用閉口箱梁單元；腹桿、縱梁及中橫梁采用工字型梁單元；風撐采用T型梁單元和角鋼梁單元；平聯采用等效剛度、面積的實腹矩形單元；橋面板單獨采用板單元。模型邊界條件處理：在靜力計算中假定墩臺剛度無限大，每個支承處設置兩個支座；在考慮地震力作用下的模型中，考慮墩臺質量與剛度。

桁架桿件節點編號見圖2。

圖2　桁架節點編號（立面）

3.1構件幾何特性

構件幾何特性見表1。

3.2桿件受力類型及長細比驗算

各桿件長細比計算結果見表2。

表2　桁架桿件長細比計算表

3.3主桁桿件強度及穩定計算結果

使用階段強度計算結果見表3，其中組合II容許應力可以提高1.25倍。

表3　各桿件強度計算結果表（負為壓，正為拉）　MPa

由表3可知，強度均滿足要求。

壓桿穩定計算結果見表4，其中容許應力應乘以彎曲系數φ，其中組合II容許應力可以提高1.25倍。

由表4可知，壓桿穩定均滿足要求。

桁架總體計算還包括風撐及平聯強度計算（地震工況控制）、螺栓數目計算、節點板撕裂計算等［3］，均比較常規，本文不再贅述。

表4　壓桿穩定計算結果表　MPa

4　桁架特殊節點設計

該項目所模仿的著名歷史文化建筑外白渡橋位于上海蘇州河與黃浦江交匯處，是中國的第一座全鋼結構鉚接橋梁。百年前由于鋼材冶煉技術局限及缺乏可靠的焊接工藝，橋梁構件基本采用鉚接技術。鉚接技術由于施工復雜，承載力低，施工成本高，早已被焊接和栓接技術取代。近年上海市對外白渡橋按照原設計進行了修復［4］，為了保持歷史建筑原風格，鉚釘施工產生了巨額費用。這使得外白渡橋特殊的造型和細節設計難以模仿。

在頂上橋設計中，我們認真研究了外白渡橋的設計圖紙，結合現代鋼橋施工工藝，盡量做到既方便施工，又能做到外觀呈現與外白渡橋相似的風格。其中栓接節點全部采用扭剪型高強螺栓，螺帽朝內設置，外側造型與鉚釘相似，造型美觀。

4.1桁架桿件斷面設計

（1）弦桿

外白渡橋的弦桿斷面為四片角鋼與拼板組成的箱型結構。根據受力需要，調整拼板厚度、角鋼型號或增加墊板。受力不需要處，將拼板簡化為交叉綴條。現代鋼桁架橋由于焊接技術提高，一般直接采用焊接截面。頂上橋采用了焊接斷面，但是頂底板留出一定的翼緣寬度。盡量做到外輪廓相似，也便于安裝照明燈具。

圖3為外白渡橋與頂上橋的弦桿斷面比較。

圖3　外白渡橋（左）與頂上橋上弦桿（右）斷面（單位：mm）

（2）腹桿

外白渡橋腹板采用四片角鋼與交叉形綴條拼接為H形截面。腹桿寬度為286 mm，可插入弦桿腹板內側。

頂上橋腹桿寬度取為660 mm，與上下弦桿腹板間距相同，在節點處直接利用拼板拼接。外白渡橋與頂上橋主桁腹桿構造見圖4和圖5。

圖4　外白渡橋腹桿構造（單位：mm）

圖5　頂上橋腹桿構造（單位：mm）

（3）風撐

外白渡橋風撐采用四片角鋼與綴條拼接為工字形截面。頂上橋風撐采用兩片焊接T形，與綴條拼接為工字形截面，做到外觀與外白渡橋相似。

4.2節點設計

（1）主桁節點

外白渡橋桁架節點由于橋梁跨徑較小，腹桿較細瘦，且按照當時設計理念，腹桿端部的連接強度不需要大于桿件自身強度，只需要滿足受力要求即可。因此采用腹桿插入節點板的方式，鉚釘數目不多，節點板較小（見圖6）。

圖6　外白渡橋上弦節點內側照片

頂上橋主桁節點板與腹桿連接處，若采用腹桿插入節點板，單面高強螺栓連接方式的話，螺栓數目較多，節點板較大，外形不夠美觀。因此上弦節點采用整體式節點，上弦桿腹板向外伸出，與腹桿拼接。上弦桿頂板伸出形成整體式節點板，使平聯和風撐上弦插入，并與其栓接（見圖7）。

圖7　頂上橋上弦節點構造示意

（2）腹桿交叉節點

外白渡橋腹桿為交叉形構造，由于交叉腹桿構造復雜，且帶來材料用量的增加，這種設計在現代鋼桁架橋設計中比較少見。但由于桿件增加后，減小了單個腹桿的受力大小，對于受壓腹桿來說，還減少了面外自由長度，可以使桿件設計得比較纖細美觀。外白渡橋只能采用鉚接，交叉腹桿采用角鋼拼接，見圖8。

圖8　外白渡橋腹桿交叉節點

頂上橋將拼接角鋼簡化為焊接T形拼接板，見圖9。

圖9　頂上橋腹桿交叉節點構造（單位：mm）

5　結　語

鉚接鋼桁架橋作為百年前特定歷史時期的作品，獨特的造型風格是由當時的鋼材冶煉技術、加工水平決定的。此外，由于社會發展，橋梁設計理論及運營荷載在不斷變化，即使目前正在正常運營的一些老橋，利用現行規范進行驗算，也很難完全滿足要求。現代鋼橋要完全仿造幾乎是不可能完成的任務。

本文為類似項目提供了一種思路，在追求外觀與舊橋相似的同時，便于利用現代工藝進行施工，使得總體上項目造價及施工難度與現代普通鋼桁架橋相差不大。

［1］JTJ 025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范 ［S］.

［2］JTG D64-2015，公路鋼結構橋梁設計規范［S］.

［3］吳沖.現代鋼橋（上）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］岳貴平，黃慷，張春雷，等.外白渡橋船移大修保護工程設計（上）［J］.上海建設科技，2009（5）：1-5.

U442

B

1009-7716（2016）07-0152-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.044

2016-03-18

王碩（1983-），女，河南南陽人，工程師，從事橋梁設計工作。