宜興市頂上橋桁架結(jié)構(gòu)總體計(jì)算及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

王碩

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市　200092）

宜興市頂上橋桁架結(jié)構(gòu)總體計(jì)算及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

王碩

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

宜興市蕪申運(yùn)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(biāo)性建筑百年老橋外白渡橋。跨度為85 m，橋?qū)?0 m，簡(jiǎn)支下承式桁架結(jié)構(gòu)。如何在材料、工藝做法都已經(jīng)發(fā)生巨大變化的情況下，做出與歷史建筑相似的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和風(fēng)格是項(xiàng)目的難點(diǎn)。介紹了此桁架橋的總體計(jì)算和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以期對(duì)類似橋梁起到借鑒作用。

鋼桁架橋；鉚接；總體計(jì)算；宜興市

0　引言

該橋?yàn)槌鞘芯坝^橋梁，采用簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，橋面采用疊合梁橋面。

主橋全長(zhǎng)85 m，橋?qū)?0 m，共設(shè)置兩榀桁架，桁架片橫向間距（中心距）為17 m。桁架最高點(diǎn)距離橋面高度為13.26 m（跨中位置）。桁架共分為11個(gè)節(jié)間，節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，節(jié)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(shè)置小縱梁。

該結(jié)構(gòu)與常規(guī)桁架橋相比，存在以下特點(diǎn)：

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

（2）該橋栓接節(jié)點(diǎn)全部采用扭剪型高強(qiáng)螺栓，螺帽朝內(nèi)設(shè)置，外側(cè)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(jié)合結(jié)構(gòu)，上下弦桿全部采用焊接，弦桿腹板外伸形成整體式節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度7.66 m，桁架最高點(diǎn)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?shù)装鍨?0 mm，腹板厚24 mm。腹桿采用H型斷面，除第一斜腹桿采用實(shí)腹式斷面外，均采用格構(gòu)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1主要橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋梁等級(jí)：城市大橋；

（2）設(shè)計(jì)荷載：新建橋梁按汽車荷載為城-A級(jí)，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）取用；

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

（4）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

2.2使用規(guī)范

本設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)計(jì)算參照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）采用容許應(yīng)力法計(jì)算；設(shè)計(jì)荷載取值參照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60—2004）。

3　桁架總體計(jì)算［1，2］

本次靜力計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件“Midas Civil 2013 V8.0.5”對(duì)橋梁進(jìn)行整體靜力計(jì)算。模型采用梁?jiǎn)卧c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?jiǎn)卧桓箺U、縱梁及中橫梁采用工字型梁?jiǎn)卧伙L(fēng)撐采用T型梁?jiǎn)卧徒卿摿簡(jiǎn)卧黄铰?lián)采用等效剛度、面積的實(shí)腹矩形單元；橋面板單獨(dú)采用板單元。模型邊界條件處理：在靜力計(jì)算中假定墩臺(tái)剛度無限大，每個(gè)支承處設(shè)置兩個(gè)支座；在考慮地震力作用下的模型中，考慮墩臺(tái)質(zhì)量與剛度。

桁架桿件節(jié)點(diǎn)編號(hào)見圖2。

圖2　桁架節(jié)點(diǎn)編號(hào)（立面）

3.1構(gòu)件幾何特性

構(gòu)件幾何特性見表1。

3.2桿件受力類型及長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算

各桿件長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　桁架桿件長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算表

3.3主桁桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

使用階段強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表3，其中組合II容許應(yīng)力可以提高1.25倍。

表3　各桿件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表（負(fù)為壓，正為拉）　MPa

由表3可知，強(qiáng)度均滿足要求。

壓桿穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4，其中容許應(yīng)力應(yīng)乘以彎曲系數(shù)φ，其中組合II容許應(yīng)力可以提高1.25倍。

由表4可知，壓桿穩(wěn)定均滿足要求。

桁架總體計(jì)算還包括風(fēng)撐及平聯(lián)強(qiáng)度計(jì)算（地震工況控制）、螺栓數(shù)目計(jì)算、節(jié)點(diǎn)板撕裂計(jì)算等［3］，均比較常規(guī)，本文不再贅述。

表4　壓桿穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表　MPa

4　桁架特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)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(jié)構(gòu)鉚接橋梁。百年前由于鋼材冶煉技術(shù)局限及缺乏可靠的焊接工藝，橋梁構(gòu)件基本采用鉚接技術(shù)。鉚接技術(shù)由于施工復(fù)雜，承載力低，施工成本高，早已被焊接和栓接技術(shù)取代。近年上海市對(duì)外白渡橋按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行了修復(fù)［4］，為了保持歷史建筑原風(fēng)格，鉚釘施工產(chǎn)生了巨額費(fèi)用。這使得外白渡橋特殊的造型和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)難以模仿。

在頂上橋設(shè)計(jì)中，我們認(rèn)真研究了外白渡橋的設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合現(xiàn)代鋼橋施工工藝，盡量做到既方便施工，又能做到外觀呈現(xiàn)與外白渡橋相似的風(fēng)格。其中栓接節(jié)點(diǎn)全部采用扭剪型高強(qiáng)螺栓，螺帽朝內(nèi)設(shè)置，外側(cè)造型與鉚釘相似，造型美觀。

4.1桁架桿件斷面設(shè)計(jì)

（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(jié)構(gòu)。根據(jù)受力需要，調(diào)整拼板厚度、角鋼型號(hào)或增加墊板。受力不需要處，將拼板簡(jiǎn)化為交叉綴條。現(xiàn)代鋼桁架橋由于焊接技術(shù)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?shù)装辶舫鲆欢ǖ囊砭墝挾取１M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(nèi)側(cè)。

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

圖4　外白渡橋腹桿構(gòu)造（單位：mm）

圖5　頂上橋腹桿構(gòu)造（單位：mm）

（3）風(fēng)撐

外白渡橋風(fēng)撐采用四片角鋼與綴條拼接為工字形截面。頂上橋風(fēng)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(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）主桁節(jié)點(diǎn)

外白渡橋桁架節(jié)點(diǎn)由于橋梁跨徑較小，腹桿較細(xì)瘦，且按照當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念，腹桿端部的連接強(qiáng)度不需要大于桿件自身強(qiáng)度，只需要滿足受力要求即可。因此采用腹桿插入節(jié)點(diǎn)板的方式，鉚釘數(shù)目不多，節(jié)點(diǎn)板較小（見圖6）。

圖6　外白渡橋上弦節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)照片

頂上橋主桁節(jié)點(diǎn)板與腹桿連接處，若采用腹桿插入節(jié)點(diǎn)板，單面高強(qiáng)螺栓連接方式的話，螺栓數(shù)目較多，節(jié)點(diǎn)板較大，外形不夠美觀。因此上弦節(jié)點(diǎn)采用整體式節(jié)點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)板，使平聯(lián)和風(fēng)撐上弦插入，并與其栓接（見圖7）。

圖7　頂上橋上弦節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

（2）腹桿交叉節(jié)點(diǎn)

外白渡橋腹桿為交叉形構(gòu)造，由于交叉腹桿構(gòu)造復(fù)雜，且?guī)聿牧嫌昧康脑黾樱@種設(shè)計(jì)在現(xiàn)代鋼桁架橋設(shè)計(jì)中比較少見。但由于桿件增加后，減小了單個(gè)腹桿的受力大小，對(duì)于受壓腹桿來說，還減少了面外自由長(zhǎng)度，可以使桿件設(shè)計(jì)得比較纖細(xì)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(jié)點(diǎn)

頂上橋?qū)⑵唇咏卿摵?jiǎn)化為焊接T形拼接板，見圖9。

圖9　頂上橋腹桿交叉節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（單位：mm）

5　結(jié)　語

鉚接鋼桁架橋作為百年前特定歷史時(shí)期的作品，獨(dú)特的造型風(fēng)格是由當(dāng)時(shí)的鋼材冶煉技術(shù)、加工水平?jīng)Q定的。此外，由于社會(huì)發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)理論及運(yùn)營(yíng)荷載在不斷變化，即使目前正在正常運(yùn)營(yíng)的一些老橋，利用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，也很難完全滿足要求。現(xiàn)代鋼橋要完全仿造幾乎是不可能完成的任務(wù)。

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

［1］JTJ 025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.

［2］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］吳沖.現(xiàn)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(hù)工程設(shè)計(jì)（上）［J］.上海建設(shè)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(shè)計(jì)工作。