某鋼桁天橋設計與施工方法探索

陳 璨

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

鋼桁架結構具有跨越能力強、承載能力高、施工標準化程度高、施工周期短、速度快、耐久性能好、造型美觀等優點。尤其是近年來我國煉鋼水平的提高，國產橋梁用鋼品質已經完全滿足結構安全的需要，且隨著鋼結構防腐技術的提高，鋼結構造價已經完全到了可以接受的范圍內，本著這些優點，鋼桁架結構在城市及景區天橋中設計應用中越來越多[1-3]。

1 工程概況

橋位位于一風景區內，風景區被國道一分為二，為保障兩塊游園的游客能夠安全便捷地通行，擬在國道上架設天橋一座，一跨跨越國道，規劃國道寬度為50 m。

1.1 橋梁設計標準

a）橋梁結構設計基準期 100年。

b）橋面寬度 橋面凈寬為4 m，欄桿寬度為2×0.25 m。

c）橋下凈空控制高度 大于等于5.5 m。

d）設計荷載等級 按城-B級汽車荷載計算。

e）設計人群荷載 3.5 kN/m2。

1.2 橋梁設計原則

a）在滿足功能要求的前提下合理優化橋梁布置，盡可能在節約造價的情況下滿足景觀橋梁對美觀的要求。

b）橋梁設計方案總體構思，應突出景觀天橋的效果，通過合適跨徑及材料、施工方案的選擇，達到既經濟又美觀的效果。

c）制定合理的施工方案，盡量降低施工費用，減小對已有道路和環境的干擾。

由于本橋位地形限制，上部橋梁結構形式確定為梁式橋。主要比選T梁、鋼箱梁、鋼桁梁3種結構形式。由于單跨徑超過50 m，且鋼箱梁現場施工焊接存在施工風險因素，故該天橋上部結構采用簡支鋼桁架結構。

2 鋼桁架結構尺寸的確定

2.1 主桁

主桁采用帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系。根據《現代鋼橋》中有關鋼桁架部分敘述為：下承式桁架的節間長度一般為 6～10 m； 主桁高度為（1/7～1/10）L，L 為橋梁跨徑[3]，但由于天橋活荷載較小，高跨比值可適當降低；帶豎桿的桁架的合理傾角為50°左右。取大節間長度8 m，共7個節間，上部桁架共長56 m，主桁高度5 m，高跨比為1/11.2。兩片主桁主心距采用5.3 m，寬跨比為1/10.57，橋面寬度4.5 m。

圖1 主桁結構示意圖（單位：m）

主桁上下弦桿均采用焊接H形截面，截面寬度420 mm，高度均為400 mm，翼緣板厚20 mm，腹板厚12 mm，工廠焊接，在工地通過高強螺栓在節點內拼接。腹桿均采用焊接H形截面，截面寬度260 mm，高度均為400 mm，最大板厚14 mm。

2.2 橋面系

橋面系為下橫梁+小縱梁+上面的橋面板結合而成，其鋼梁部分仍采用縱橫梁體系。本設計橫梁高514 mm，為焊接倒T字形截面，與主桁在節點上通過高強螺栓連接；小縱梁高284 mm，也采用焊接T字形截面；下橫梁上緣與小縱梁上緣齊平，通過腹板與下翼緣焊接與下橫梁連為一體；小縱梁在每個節段中間通過拼接板使相鄰小縱梁連為一體橫向每0.9 m設置一道；橋面板采用鋼板，板厚16 mm，通過焊接與橫梁、縱梁相連。

2.3 上平面縱向聯結系

上平面縱向聯結系均采用雙X形式，與弦桿在節點處相連，以抵抗橫向風荷載、豎向荷載及弦桿變形等產生的內力，在桁梁兩端斜桿所在的斜平面設置橋門架，上弦每兩個節點處設一道橫向聯結系。

3 鋼桁架結構計算分析

結構建模采用空間有限元計算軟件Midas Civil，建立三維計算模型。由于主桁桿件采用高強螺栓連接，節點的桿件之間無相對轉角產生，因此節點采用剛接模擬。有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型

3.1 主桁桿件應力

建立兩個組合，考察桁架在恒、活載共同作用下的受力性能。

a）組合1 1.0恒載+1.0人群活載+1.0整體升（降）溫+1.0風荷載；

b）組合2 1.0恒載+1.0汽車活載+1.0整體升（降）溫+1.0風荷載。

應力結果如表1所示。

表1 桁架桿件恒活載下最大應力 MPa

經過比較表1中組合1和組合2，組合2即汽車荷載組合的應力較大。根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ 025—86）1.2.5條，Q345鋼材的受拉允許應力為200 MPa，受壓允許應力在200 MPa的基礎上乘以穩定折減系數ψ，根據計算各個桿件的長細比均在30以內，因此折減系數ψ=0.9，于是受壓允許應力為180 MPa[4-5]。

3.2 橋面系應力

3.2.1 小縱梁應力

小縱梁與橋面板、橫梁焊接連接形成正交異性板，鋼橋面板的有效寬度偏安全考慮與下翼緣寬度相同。小縱梁與橫梁焊接連接，為簡化計算，取小縱梁與橫梁鉸接，取小縱梁計算桿件為14 mm厚翼緣板和12 mm厚腹板組成的“工”字形截面建立有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

按照上述模型計算小縱梁在汽車組合2作用下，最大拉、壓應力均為35.9 MPa，滿足應力要求。

3.2.2 下橫梁應力

下橫梁與橋面板焊接連接形成正交異性板，鋼橋面板的有效寬度偏安全考慮與下翼緣寬度相同。小縱梁與橫梁焊接連接，為簡化計算，取下橫梁與主桁桿件鉸接，取下橫梁計算桿件為20 mm厚翼緣板和20 mm厚腹板組成的“工”字形截面建立有限元模型，計算結果如圖4所示。

圖4 下橫梁軸向壓應力（單位：MPa）

下橫梁軸向壓應力最大為74.4 MPa，滿足應力要求。

3.3 撓度

按照上述索取桿件截面積，建立圖2計算模型，在人群荷載及城-B荷載作用下，跨中最大下撓分別為19.7 mm、29.3 mm，滿足規范剛度要求。

4 施工步驟

4.1 步驟一

a）開挖山體至規劃道路地面標高[6]。

b）工廠制作主桁桿件，并在工廠進行預拼裝。

c）完成柱基礎、橋臺的施工。

圖5 施工步驟一

4.2 步驟二

a）平整場地，完成施工平臺的搭設。

b）施工平臺搭設注意預拱度的設置。

c）預留兩個通行孔道，孔道大小根據實際情況確定。

d）安裝主桁桿件。

e）橋面板安裝。

圖6 施工步驟二

4.3 步驟三

a）全橋施工完成后，拆除施工平臺。

b）完成附屬結構的施工。

c）完善全橋防腐措施。

d）后期運營。

圖7 施工步驟三

5 結論

a）鋼桁架結構以其本身固有的跨越能力大、施工期短、承載能力高等優點適用于城市及景區天橋。

b）主桁結構尺寸可以按照結構整體計算模型確定，對小縱梁及橫梁尺寸可以單取一根梁按簡支結構進行最不利計算，從本例中可以看出是可行的。

c）對于簡支鋼桁架天橋施工方法應采用工廠預制，現場支架拼裝對于保通道路也是可行的。