敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋設計

吳 貴 賢

(甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

敞開式鋼管混凝土結構是一種由組合結構發展而來，具有較大的橫向抗彎剛度和抗扭剛度，為減輕橋梁的自重，提高結構的跨越能力，同時滿足結構的使用性能，用桁架結構代替組合結構，不僅增大結構的剛度，同時提高橋梁建筑面積的利用率。

甘肅在建某二級公路跨越國家級文物保護明長城，在滿足文物部門相關要求的前提下，盡量降低路基高度，以較少占地及引道路基填方工程量、節約工程造價，對跨長城部分采用單跨70 m敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋跨越。該結構的設計與大多數鋼桁架橋設計相比較具有以下優點：1)不設置豎桿，上弦桿之間不設置橫向聯結系；2)節約成本，降低造價；3)減輕自重，有效改善各構件的受力，提高該橋總體受力性能；4)不設橫向聯結系能開闊視野，提高行車舒適度。

采用橋梁專業工程軟件MIDAS/CIVIL建立有限元模型，全橋建立共392個節點和599個單元，上弦桿采用組合截面里的鋼管形—混凝土截面模擬，下弦桿采用組合截面里的鋼箱形—混凝土截面模擬，端部腹桿和中部腹桿采用管型截面模擬，有限元模型如圖1所示。

1 橋梁方案簡介

主橋上部為鋼桁梁與預制混凝土橋面板的組合結構，主桁架采用華倫式三角形腹桿體系，上弦桿為鋼管混凝土結構，腹桿為鋼管結構，下弦桿為矩形鋼管混凝土結構；橋面系由端橫梁、中橫梁及預制橋面板組成。

主桁桁高5 m，上弦桿鋼管外徑1 m，根據受力特點，在距上弦桿端部15.5 m處進行變截面設計，保持鋼管外徑不變，進行壁厚的變化設計，端部壁厚18 mm，中部壁厚24 mm；下弦桿為正方形鋼管混凝土，邊長900 mm，變截面設計與上弦桿同理，變截面位置距端部21.5 m處，端部壁厚26 mm，中部30 mm；腹桿采用焊接鋼管，根據受力特點，端部腹桿采用φ700×22 mm，其余采用φ630×20 mm。

橋型布置圖如圖2，圖3所示。

2 桁架承載力分析

根據鋼結構及橋梁相關規范對鋼管混凝土結構和橫梁進行承載能力極限狀態驗算。

表1 上弦桿承載力計算結果表 kN

表2 下弦桿承載力計算結果表

上下弦桿均滿足規范要求。

根據計算結果，腹桿采用Q390E鋼管，在正常使用極限狀態下，端部腹桿F1最大壓應力為-237.2 MPa，其余腹桿最大壓應力為178.4 MPa，腹桿最大拉應力為199.1 MPa，均小于鋼材強度應力設計值290 MPa，滿足要求。

3 橫梁及橋面板承載力驗算

承載能力極限狀態采用基本組合，基本組合=1.1×(1.2恒載+1.4×汽車荷載(計沖擊系數)+0.75×1.4溫度荷載)。正常使用極限狀態采用頻遇作用組合、準永久作用組合，頻遇組合=恒載+0.7汽車荷載(不計沖擊系數)+0.8溫度荷載，準永久組合=恒載+0.4×汽車荷載(不計沖擊系數)+0.8溫度荷載。運用MIDAS/CIVIL建立有限元模型計算得到橫梁和橋面板在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的受力，應力包絡如圖4～圖6所示。

由應力圖可見，鋼梁上緣壓應力最大182.9 MPa，小于fd=295 MPa(Q390鋼)，下緣拉應力最大250.2 MPa，小于fd=280 MPa(Q390鋼)；混凝土上緣壓應力最大18.3 MPa，小于C50混凝土fcd=22.4 MPa，最大拉應力1.5 MPa；下緣最大壓應力0.8 MPa，最大拉應力2.7 MPa，結果均在材料設計強度范圍之內，滿足要求。

4 抗剪承載力和剛度驗算

組合梁截面的剪力全部由鋼梁腹板承擔，不考慮混凝土板的抗剪作用。

由圖7可知，基本效應組合最大剪力值γ0V=1 440.74 kN。抗剪承載力Vu=fvd×Aw=1 683 kN>γ0Vd，滿足規范要求。取撓度長期增長系數ηθ=1.425，由圖8可知，汽車車道頻遇值撓度并考慮荷載長期效應影響為1.425×9.8=14 mm

5 平面桁架穩定性分析

平面桁架穩定是此類橋梁主要的控制因素，國內有關專家對敞開式桁架梁橋的穩定分析已有大量的研究成果；李國豪教授等編著的《橋梁結構穩定與振動》一書中提出了近似的計算方法。

經計算，該橋的半框架彈性常數大于保證穩定所需的最小值，半框架穩定滿足結構設計要求。

經有限元MIDAS模型計算，平面桁架穩定性分析前5階模態如圖9～圖13所示。

表3 穩定性分析結果表

階數穩定安全系數施工階段拆除臨時支撐時成橋階段117.6614.27217.7914.34317.8115.79417.9715.90525.4220.79

從表3可以看出，該桁架梁橋屈曲安全系數均大于4，滿足要求。

根據對該桁架組合梁橋自振的計算分析，可以得出以下結論：

1)進行穩定性分析敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋的振動模態中包括橫向振動、縱向振動、豎向振動、扭轉等現象。

2)模態分析結果表明各階頻率的相對差值小，橋梁的振動頻率出現集聚現象。

3)該類橋梁結構的振型為橫向振動和縱向振動，振動時先橫向后縱向表明橫向剛度小于其他方向的剛度，三階為整體扭轉，表明桁架梁的扭轉剛度大于縱向剛度，四階為豎向振動，表明豎向剛度大于扭轉剛度，根據振型的前后順序，該類橋梁的抗震穩定性較差，設計中應當重點考慮穩定性分析。

6 結語

通過本文的研究，得出以下結論：

1)對該類橋梁在不同荷載工況下的分析，通過上部桁架部分的計算可知：桁架下弦桿主要承受軸向拉力、剪力和彎矩的作用，其中跨中彎矩和拉力最大，在實際計算時，重點應考慮鋼管混凝土的套箍效應。

2)通過對全橋穩定性分析可知：敞開式桁架梁橋橫橋向穩定性較差，在設計中需增大上弦桿的截面剛度，使橋梁在成橋階段穩定系數均大于4；由于該橋跨徑較大，通過采取增大上弦桿及腹桿直徑滿足其穩定性要求，同時設計時應嚴格控制橋梁高跨比和寬跨比，防止該類橋梁的橫向失穩。

由于本橋橋面建筑高度低，采用的結構形式簡單、新穎，且目前在該地區公路上幾乎無相關類型的橋梁，因此，對該橋梁結構從剛節點的受力與構造、抗震性能研究、整體性能力學特征分析等方面還需做相關的研究論證，為其今后的成熟應用提供相應的技術支撐。