一座密布橫梁鋼桁梁橋的設(shè)計與分析

金叔陽

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

一座密布橫梁鋼桁梁橋的設(shè)計與分析

金叔陽

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

泰興市文江大橋主橋采用40m鋼桁梁，橋位處邊界條件復(fù)雜，限制因素多。結(jié)合文江大橋設(shè)計全過程，主要介紹了總體設(shè)計思路及橋梁關(guān)鍵技術(shù)難點分析，總結(jié)了該橋型用于丁字交叉口改造（跨越河道）工程的優(yōu)勢，可供類似工程參考。

鋼桁梁橋；密布橫梁；限制梁高設(shè)計；丁字交叉口改造

1　工程概況

該工程為文江大橋，位于江蘇省泰興市如泰運河上，為新建城市主干道文江北路的重要部分，是泰興市區(qū)東部新建的過河通道。該工程起點與現(xiàn)狀大慶路平交，并要求對平交口按規(guī)劃進行改造，往北跨越如泰運河。橋梁跨徑組合為25.49 m+ 40 m+25.49 m，其中主橋為40 m鋼桁梁橋，引橋為簡支小箱梁結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2。

該橋的設(shè)計，不僅滿足了橋下通航凈空與交叉口最大縱坡限值的要求，也極大限度地減少了對既有交叉口的改造，同時跨越橋梁也擁有了一定的景觀性。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：主干路。

（2）設(shè)計行車速度：50 km/h。

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車荷載：城-A級；人群荷載：按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）取值。

（4）通航要求：按六級航道標(biāo)準(zhǔn)控制，通航凈高不小于4.5 m，凈寬不小于22 m。

（5）抗震要求：抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計基本地震動加速度峰值：0.05 g；抗震措施：7度。

（6）橋梁橫斷面布置：

0.3m（人行道欄桿）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道欄桿）+6 m（非機動車道）+2.0 m（機非分隔帶）+15.0 m（機動車道）+2.0 m（機非分隔帶）+6 m（非機動車道）+0.3 m（人行道欄桿）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道欄桿）=42.0 m。

（7）縱坡布置：2.5%，豎曲線半徑2 000 m，按照主橋跨中對稱布置。

（8）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

3　橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1橋梁總體布置

該橋跨徑組合為25.49 m+40 m+25.49 m，總長為90.98 m，橋梁寬度為42 m。橋梁與河道斜交，斜交角為4.215°，采用“斜橋正做”方式進行布置。主橋為下承式鋼桁梁橋，計算跨徑為40 m；兩側(cè)引橋各為25 m的簡支小箱梁結(jié)構(gòu)。在保證通航凈空的前提下，該橋型的選擇使得橋梁結(jié)構(gòu)高度得到有效降低，從而減少交叉口改造影響。

3.2主橋上部結(jié)構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁梁，計算跨徑為40 m，桁高6.5 m。橫向采用四榀式桁架，行車道兩榀主桁架設(shè)置在機非分隔帶內(nèi)，主桁中心距為17 m；兩榀副桁架設(shè)置在人行道與非機動車道之間，副桁架與主桁架中心距為7.59 m。機動車道橋面系采用倒T橫梁、倒T型縱向加勁肋、三道倒T縱梁組成的正交異性板。

主副桁架均采用三角形桁架，節(jié)間長度按5m設(shè)計。上弦桿采用500 mm×570 mm的箱型截面，下弦桿采用500 mm×680 mm的箱型截面，腹桿采用470 mm×570 mm×12 mm×25 mm的工字型截面，傾角為51.91°。為使整體橋梁外形美觀，端部斜腹桿選擇與弦桿同寬的箱型截面。

機動車道橫梁為了適應(yīng)橫坡的變化，選用變高倒T型截面，梁高644～765 mm；非機動車道橫梁亦選用變高倒T型截面，梁高540～644 mm；人行道橫梁按懸臂梁設(shè)計，根部梁高為540 mm。順橋向橫梁間距均為2.5 m，橫梁與下弦桿全熔透焊接。

圖1　橋型總體布置圖（單位：m）

圖2　標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：m）

機動車道橋面板選用16 mm厚的Q345D鋼板，與下弦桿全熔透焊接；橋面系設(shè)置三道倒T縱梁；縱向加勁肋選用倒T截面，橫橋向間距按300 mm控制。由于橫梁為主要受力構(gòu)件，縱梁、縱向加勁肋遇橫梁斷開，并與橫梁全熔透焊接，盡可能避免縱肋底緣焊縫開裂[2]。

3.3引橋上部結(jié)構(gòu)

引橋采用25 m跨徑小箱梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)分三幅設(shè)計。人行道與非機動車道按一幅設(shè)計，由4片小箱梁組成；機動車道按一幅設(shè)計，由5片小箱梁組成。

3.4下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主墩采用高樁承臺柱式墩，以降低施工難度，同時起到保護墩柱、樁基防撞的作用。蓋梁設(shè)計為鋼筋混凝土構(gòu)件，高低蓋梁結(jié)構(gòu)；墩柱直徑為1.5 m，樁基直徑為1.2 m，選擇中砂層作為樁尖持力層。

橋臺采用扶壁式橋臺，梅花樁布置。樁基直徑為1.0 m，選擇細砂作為樁尖持力層。臺后搭板長8 m。

4　關(guān)鍵技術(shù)問題分析

4.1限制梁高設(shè)計

橋位附近為現(xiàn)狀沿河丁字交叉口，距離現(xiàn)狀如泰運河航道中心線僅約107 m，橋梁設(shè)計需滿足六級通航凈空的要求。

另外，附近民用商鋪建筑較多，且建筑首層地面僅高出現(xiàn)狀道路路面約10～20 cm。因此，本工程總體方案，需對交叉口改造進行合理設(shè)計，在滿足道路線形及交叉口交通安全的基礎(chǔ)上，減少交叉口改造的工程量，將交叉口改造對周邊商鋪的影響降到最低，減少工程實施的社會影響。

經(jīng)過綜合比選，本橋采用下承式鋼桁梁橋方案，同時利用密布橫梁體系降低橫梁梁高[1]。根據(jù)計算比較及分析，機動車道、非機動車道、人行道橫梁梁高均設(shè)計較矮，由此保證了主橋結(jié)構(gòu)底緣線距離通航凈空控制邊線約20 cm的安全高度。

另外，鋼桁梁在工廠加工制造，與橋梁下部結(jié)構(gòu)同步實施，施工進度大大加快。本橋下部結(jié)構(gòu)施工完畢后，利用浮吊將工廠預(yù)制好的單片桁架吊裝到位，之后拼裝焊接橫梁、橋面板、橫撐等構(gòu)件，完成主橋主體結(jié)構(gòu)施工。該施工方案對河道通航影響較小。

4.2總體結(jié)構(gòu)計算分析

整體計算采用MIDAS CIVIL 2013軟件計算，全橋采用梁、薄板單元，建立三維空間有限元模型。其中主副桁架、端橫梁、內(nèi)橫梁、三道縱梁均采用空間梁單元模擬，橋面板采用薄板單元模擬。全橋共有1 481個節(jié)點，2 044個單元，其中梁單元828個，薄板單元1 216個。荷載考慮了自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、梯度溫度、整體溫差、基礎(chǔ)變位。全橋計算模型見圖3。

圖3　全橋三維模型

主要計算結(jié)果如下：

（1）主、副桁架上弦桿最大壓應(yīng)力為158 MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力；主桁架下弦桿最大拉應(yīng)力為72 MPa，最大壓應(yīng)力為78 MPa；副桁架下弦桿最大拉應(yīng)力為102 MPa，最大壓應(yīng)力為80 MPa。

（2）腹桿最大拉應(yīng)力為115 MPa，最大壓應(yīng)力為139 MPa。

（3）機動車道內(nèi)橫梁最大拉應(yīng)力為122 MPa，最大壓應(yīng)力為154 MPa；三道縱梁最大拉應(yīng)力為97 MPa，最大壓應(yīng)力為31 MPa；橋面板最大拉應(yīng)力為87 MPa，最大應(yīng)力幅為31 MPa，滿足要求。機動車道內(nèi)橫梁在活載作用下豎向撓度為14.5 mm＜L/600=17 000/600=28.3 mm，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ 025-86）的要求，但需設(shè)置橫向預(yù)拱度。

（4）非機動車道內(nèi)橫梁最大拉應(yīng)力為78 MPa，最大壓應(yīng)力為97 MPa；人行道橫梁最大拉應(yīng)力為59 MPa，最大壓應(yīng)力為101 MPa；端橫梁最大拉應(yīng)力為128 MPa，最大壓應(yīng)力為162 MPa。

（5）本橋一階失穩(wěn)模態(tài)為上弦桿順橋向豎彎，臨界荷載特征值系數(shù)為20.3，滿足使用要求。

以上結(jié)果表明，本鋼桁架橋各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全儲備。

4.3橋面系三道縱梁對整體受力的作用

設(shè)計過程中分析發(fā)現(xiàn)，由于橫梁較矮，橋面較寬，承受較大荷載，因此需要加設(shè)橋面系縱梁，以增強橫梁之間的受力協(xié)同性，保證結(jié)構(gòu)的安全與受力合理[3]。現(xiàn)將是否設(shè)置橫梁進行分別建模計算，并進行比較，見表1。

表1　縱梁設(shè)置各相關(guān)構(gòu)件應(yīng)力比較表

通過表1比較可知，對于橋面較寬的鋼結(jié)構(gòu)橋面系，設(shè)置適當(dāng)?shù)目v梁，有利于增強橫梁的受力協(xié)同性，使得橫梁受力更為均勻，可以有效達到通過橫梁傳遞橋面系荷載的作用；且對端橫梁受力影響較小。

5　結(jié)　語

（1）本文針對沿河丁字交叉口改造（跨越河道）工程，提出利用密布橫梁的鋼桁梁橋方案。該方案擁有以下優(yōu)勢：保證橋下通航凈空的前提下，交叉口縱斷面設(shè)計能夠較好滿足行車安全的要求；有效減少對既有交叉口的改造工程量，從而降低工程實施對既有道路兩側(cè)居民和商戶的影響；鋼桁梁橋本身具有較好的景觀性；施工進度快，對河道通航影響小。

（2）對于矮橫梁正交異性板體系，通過設(shè)置一定數(shù)量的橋面系縱梁，可以有效增強橫梁受力的協(xié)同性，從而使橫梁受力更為均勻，保證橋面系荷載傳遞的有效性。

[1]聶建國.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]項海帆,等.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]張敏,葉梅新,張曄芝.密布橫梁正交異性板整體橋面受力行為[J].中國鐵道科學(xué),2010(31):28-33.

U448.21+1

B

1009-7716（2016）03-0065-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.019

2015-11-06

金叔陽（1986-），男，浙江義烏人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。