城市環境鋼桁架橋梁的設計要點分析

曹 峰，馮紹海

（九江市城市規劃市政設計院，江西九江 332000）

0 引言

隨著我國基礎設施的建設推進，建筑材料的使用類型越來越多，同時我國年均鋼產量也在同步上升，建設鋼結構橋梁成為可能，相對于傳統的混凝土橋梁，其經濟性能也更加合理。由于鋼材可以加工成為多種樣式的構件，因此鋼結構橋梁往往具有輕型美觀、結構型式多樣、使用性能好等優點，特別是鋼材能夠顯著地克服混凝土材料抗裂性能差的問題，具有同等強度的抗壓和抗拉性能，因此鋼材的應用更為廣闊，同時結構的跨域能力更大。

鋼桁架橋是鋼橋中的主要型式之一，通過若干短小構件組拼連接按照桁架受軸向力的原理形成整體，這樣能夠充分發揮每根構件的受力性能，同時提高了整體橋梁的跨越能力，因此鋼桁架橋梁具有承載能力強、施工建設效率高、耐久性能好、跨越能力強等優點。此外，鋼橋結構所需要的養護和管理相對于混凝土橋梁也更低，因此在我國近年來得到了廣泛的應用[1,2]。

論文詳細分析城市環境下的鋼桁架橋梁，首先分析了鋼桁架橋梁自身的結構特點，其次研究了城市環境的鋼桁架橋梁設計要點和方法，最后通過某一城市鋼桁架橋梁的設計案例，分析了鋼桁架橋梁的設計方法和過程，為類似城市環境鋼桁架橋梁的設計提供參考和方法。

1 鋼桁架橋的技術特點

鋼桁架橋梁按照桁架各桿件承受軸向力為標準進行構件的組拼形成整體桁架結構，充分利用了鋼材同等強度的受拉和受壓性能，同時能夠最大程度建設材料的應用。總結而言，鋼桁架橋梁具有如下技術優勢。

（1）結構建筑高度低。鋼桁架的主桁由受拉桿和受壓桿形成，對于截面的抗彎剛度要求轉化為拉桿和壓桿的軸向力，因此其建筑高度主要由橫梁控制，在橋面寬度不大的情況下，橫梁也可以做得很低，因此整體橋梁的建筑高度很低，特別適用于在城市環境建設的具有高度限制的橋梁。

（2）施工建造效率高。鋼桁架橋梁完全由鋼構件形成，而各類鋼構件又可以在工廠進行制作，通過工廠預制現場拼裝連接的方式，可以最大程度提高建設效率，這對于城市環境的橋梁建設來說，具有很好的應用前景。因為城區建設橋梁往往需要最大程度建設對現場環境的影響，包括對交通干擾、對市民生活作息干擾和對周邊環境污染等，而預制裝配式的快速建造工藝可以最大程度降低這種影響。

（3）結構耐久性能好。目前鋼結構的防腐技術在不斷提高，這對于城市環境下的橋梁結構耐久性具有重要意義，特別是現代化城市發展下城市的“霧霾”氣候，使得諸多基礎設施完全暴露在環境的侵蝕中，通過鋼結構的防腐技術可以有效提高結構的耐久性。

（4）結構的承載性能強。鋼桁架橋梁相對于傳統的混凝土橋梁，由于鋼材的高強度和高延性，使得突發荷載作用下結構的安全性能夠得到保障，例如突發地震荷載以及超重車輛作用，由于鋼材的延性強，在發生結構失效時會有明顯的結構變形，這對于及時預警結構狀態降低不必要損失具有重要意義。

然而，鋼桁架橋梁除了具有上述技術優勢外，還存在鋼結構典型的疲勞和壓桿穩定問題，具體體現在以下兩個方面。

第一，連接構造疲勞問題突出。目前的鋼構件連接仍然以焊接為主要手段，焊接過程中由于加工工藝問題或者材料本身存在的隨機缺陷，再加上焊縫加工質量，會存在焊接部位具有應力集中以及初始缺陷等問題，鋼桁架的連接構件在使用過程中受到外界荷載的往復作用，當荷載較為顯著時就會出現疲勞損傷問題，而疲勞斷裂往往是脆性破壞，帶來的影響非常顯著。

第二，鋼桁架構件的受壓屈曲問題。鋼構件受壓會呈現整體和局部屈曲問題，這極大地影響了鋼構件的使用。鋼桁架橋梁中，由于存在諸多受壓的桿件，這些桿件雖然長度不大，但仍然存在受壓屈曲的風險，一旦發生某些桿件的受壓屈曲破壞，就會使得節點應力集中非常明顯，進而產生更進一步的結構破壞問題。

2 城市鋼桁架橋梁的設計要點分析

鋼桁架由主桁架、連接系、橋面系三個主要部分形成，主桁架是結構受力的主體，復雜將橋面荷載擴散并傳遞到橋梁支座和下部結構上，連接系則是對橫向各片主桁連接形成整體，保證結構的受力安全和穩定，橋面系則是承擔橋面荷載的重要部分。根據鋼桁架橋梁的結構特征，其設計的主要難點在于：主桁架的設計構造、連接系的設置策略、橋面系的型式選用三個方面[3]。

2.1 主桁架的設計構造

鋼桁架橋梁的會存在疲勞問題，而疲勞病害的最容易出現的就是主桁架的節點構造上：一方面，主桁架受力非常顯著，與之連接的構件受力也很大，這使得主桁架的相關節點在高應力變幅作用下，很容易出現疲勞問題；另一方面，主桁架的制作加工難度大，其構造線形、主桁的平面位置精確性和制孔與焊接尺寸等，都需要在加工過程中進行精確考慮。不同主桁的結構型式見圖1。

主桁的加工制作非常關鍵，需要重點控制的是焊接缺陷并對焊接變形進行及時矯正，以保障主桁的加工質量。對于焊接缺陷如裂紋、層狀撕裂、夾渣、氣孔等問題，可以選擇科學的坡口型式及尺寸、嚴格控制接頭質量、控制鋼板下料尺寸和坡口角度、進行焊前預熱及選擇科學的焊接工藝等。對于焊接過程中出現的變形，如縱橫向收縮變形、彎曲變形、扭曲變形等，可以通過火焰矯正的方式進行控制和補償。除了焊接過程中的控制，還需要對鋼桁架節點連接處進行特別的焊接處理。

圖1 不同主桁結構型式

2.2 連接系的設置策略

橫向連接系是作為承載橋面，并將橋面荷載傳遞為主桁架的重要傳力構造，部分桁架橋梁也將橫向聯系與主桁架一起作為結構受力的主體，但大部分情況下橫向聯系主要是作為傳力構件進行設計構造的，因此也主要承擔橋面作用下的荷載，在主桁架的約束作用下，橫向是兩邊彈性支撐的受力體系，且承擔的結構荷載僅僅是橫梁之間的橋面荷載作用，因此橫梁的高度一般也不大，這使得整體桁架梁的建筑高度較低。

然而，橫向聯系除了作為重要傳力構件之外，還對主桁架具有顯著的面內和面外約束，進而約束桿件的面外變形，提高其穩定性，降低了面外屈曲的概率。因此，橫向聯系的設計需要考慮：（1）設置很密可以有效約束主桁的面外屈曲失效，同時降低每一片主桁架的承受荷載，進而降低結構的構造尺寸，但會顯著增加成本；（2）設置很稀疏，則橫梁為了承擔橋面荷載，其結構尺寸較大，同時對主桁的面外約束有限。因此，需要綜合上述因素進行橫向聯系的構造設計。

2.3 橋面板的結構型式選用

橋面板及鋪裝結構是直接提供交通通行的平臺，由于其暴露于環境中并受車輛荷載直接作用，因此其工作狀態直接影響到橋梁主體結構的耐久性和行車舒適性。混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板是目前橋梁工程應用的兩種橋面板型式，混凝土橋面板能夠很好地適應瀝青混凝土橋面鋪裝或者水泥鋪裝，因此其行車效果好，但混凝土容重較大，影響了鋼桁梁橋的跨越能力；鋼橋面板剛度大且輕型，能夠很好地提高橋梁的跨越能力，但是正交異性鋼橋面板與橋面鋪裝連接性不好，很容易引發鋪裝層開裂等問題，影響橋面板的耐久使用。

鋼混組合橋面板近年來受到關注，也可以很方便地在鋼桁架橋梁上應用。通過底部在鋼桁梁上緣設置焊釘或者開孔板連接件進行連接，形成組合型式橋面板結構。鋼混組合橋面板兼顧了混凝土橋面板和正交異性橋面板的優勢：首先。增加了橋面板的剛度和強度，通過鋼板包裹混凝土提高橋面板的整體剛度，還能充分利用混凝土抗壓性能和鋼材抗拉性能，提高橋面板整體承載力；其次，相對于混凝土橋面板降低了橋面板的容重，可以實現更大跨越，但同時相對于正交異性鋼橋面板可能和瀝青鋪裝更好的結合，提高了行車平穩性和橋面板耐久性；最后，鋼混組合橋面板中鋼板還能作為模板直接提供混凝土的澆筑平臺，免去模板材料和支撐架設等問題，實現快速吊裝施工。

需要注意的是，采用鋼混組合橋面板對于跨徑不大的鋼桁橋梁是較好的選擇，當跨徑很大時鋼混組合橋面板就會限制結構的跨越能力，存在很大的不經濟性。

3 城市鋼桁架橋梁的設計案例分析

3.1 概況

某城市公路橋梁需要設計成鋼桁架橋梁型式，通航凈空90 m×7 m，橋梁主跨97 m。綜合分析選用97 m的下承式簡支鋼桁架橋梁。

3.2 結構設計

主桁架選擇帶豎桿的華倫式三角形護肝體系，節間長度5.35 m，主桁架的高度設計為8 m，結構高跨比1/12，橋面寬12 m，主桁寬8.6 m，寬跨比1/11.2。主桁上下桿均采用箱型截面，腹桿采用焊接H型截面。結構橫梁采用縱橫梁結構體系，設計橫梁高度為8.7 m，每2 m設置一道。節點構造采用高強螺栓進行連接。橋面系采用鋼混組合橋面板，通過縱橫梁頂部設置剪力釘與橋面混凝土連接，并在混凝土橋面板上設置瀝青混凝土鋪裝層。通過建立鋼桁架梁橋的有限元分析模型，分析結構整體安全性，結構的整體穩定系數計算顯示達到25，失穩模態為主桁架上弦桿件平面外失穩，滿足了結構設計要求，見圖2。

圖2 鋼桁架梁橋的有限元分析模型

3.3 景觀設計

對整體橋梁結構進行了城市景觀橋梁設計考慮，在橋面系上設置和機動車與人行道中央分離帶，分離帶通過植樹和植草的方式考慮，并在人行道上設置對應的綠化措施。

對橋梁整體進行特別的景觀，包括對桁架的材質、構件的色彩、桿件外形等進行了處理，使之與周邊環境保持協調一致，對桁架橋梁的照明系統進行了設計。

4 結語

鋼桁架橋梁具有諸多優勢，在城市橋梁建設中的應用越來越廣泛。詳細綜述了鋼桁架橋梁的技術優勢和缺點，從而對該鋼桁橋梁的主要設計難點進行了要點分析，通過實例分析了城市鋼桁架橋梁的設計要點和過程，特別需要注重城市環境的景觀設計。

[1]張振.城市鋼桁架橋結構設計要點探析[J].廣東科技,2007(10):105-106.

[2]許艷林.空間鋼管桁架式城市景觀橋梁設計[J].科技情報開發與經濟,2011,21(20):214-216.

[3]黃僑,李瑩,楊大偉,等.下承式城市鋼桁架橋上部結構設計與分析[J].城市道橋與防洪,2006(6):54-57.