鋼管混凝土桁架橋結構設計

雒建哲

摘 要：以某鋼管混凝土桁架橋為研究對象，通過建立有限元模型，對該橋進行了頂推施工階段、成橋階段承載力及結構的動力特性進行計算分析，得出如下結論：鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿足受力要求，且施工階段應力儲備較富余，但由于單片頂推，施工時桁架面外需增加臨時支撐來保證。鋼管混凝土上下弦桿，能充分發揮組合材料的優越性，受力明確，結構合理，造型美觀。結論為同類橋梁的設計提供借鑒。

關鍵詞：桁架橋 鋼管混凝土 外懸臂 頂推施工 承載力 動力特性

1.工程概況

某橋為跨蘭青鐵路而設，采用主跨70m鋼桁架簡支梁一跨跨越現有蘭青鐵路，橋頭兩側設20m跨引橋，由于該橋位于城區出入口處，橋梁下弦桿兩側懸挑2.25m人行道便于行人通行。該橋立面布置三角形腹桿桁架體系，兩片桁架布置，跨徑70m，橋面寬12m，桁高5m，桁高與跨徑之比為1/14，一跨桁架共8個節間，每節間長度為8m。主桁上弦桿采用直徑1000mm的圓形鋼管混凝土斷面；下弦桿采用900×900mm PBL加勁型矩形鋼管混凝土斷面；腹桿采用直徑700mm、630mm的鋼管斷面。橋面板采用混凝土橋面板，縱、橫向分塊預制。外伸人行道懸臂梁采用T型截面，懸臂梁高200～450mm，人行道橋面板采用正交異形鋼橋面板。主桁桿件均采用Q390E鋼材，上下弦桿均灌注C50微膨脹混凝土。

采用單片桁架頂推施工方案（前導梁斷面采用下弦鋼箱斷面，長17m），具體施工步驟如下：

（1）在小樁號一側設置支架，拼裝主桁（主桁分段在工廠完成預制）和前導梁；（2）安裝頂推設備，兩片鋼桁架各自向前頂推24m，兩片桁架共同達到最大懸臂狀態；（3）前導梁到達對岸臨時支撐；（4）兩片鋼桁架各自向前頂推16m，桁架前端到達對岸臨時支撐；（5）繼續頂推桁架到設計位置，完成頂推并拆除導梁；（6）連接橫梁及人行道懸臂縱梁；（7）灌注上、下弦桿及端橫梁混凝土；（8）待管內混凝土達到設計強度后，拆除臨時支撐；（9）架設預制橋面板，澆筑橋面板濕接縫，安裝人行道外懸臂橋面板；（10）敷設瀝青混凝土，完成泄水管、防撞護欄、伸縮縫等施工。分析時，考慮施工階段聯合截面，在上一施工步驟完成鋼管與管內混凝土的疊合。

2.計算模型

采用Midas Civil 2015建立橋梁計算模型，其中上、下弦桿及腹桿、橫梁采用梁單元模擬，橫梁與下弦桿之間采用彈性連接中的剛性連接模擬，鋼管混凝土構件考慮施工階段聯合截面；混凝土橋面板采用板單元模擬；支座采用一般支承模擬，結構有限元模型見圖1。

3.靜力分析

3.1施工階段受力計算（見表1）

在完成橋面鋪裝施工后，鋼桁梁各構件受力達到最大值。其中，上弦桿內混凝土組合應力最大值（受壓）為15.1MPa

3.2結構承載能力計算

對結構進行成橋后的承載能力極限狀態分析，取結構重要性系數γ0=1.1，荷載組合考慮基本組合：1.2恒荷載+1.0收縮、徐變+1.4汽車荷載+0.75（1.1風荷載+1.4溫度荷載）。詳細結果如下所示：

（1）上弦桿應力計算結果。在承載能力極限狀態基本組合作用下，上弦桿鋼管組合應力最大值為221.0MPa

（2）上弦桿偏心受壓承載力驗算。上弦桿承載力驗算依據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG/ T D65-06-2015）中，鋼管混凝土偏心受壓構件承載力相關計算方法進行：上弦桿中部：γN=2.75×104kN<3.24×104kN；上弦桿端部：γN=1.00×104kN<2.75×104kN；

（3）上弦桿抗剪承載力驗算。上弦桿中部：γ0V=2356.5kN<15.37×103kN；上弦桿端部：γ0V=7352.1kN<12.58×103kN。

（4）下弦桿應力計算結果。在承載能力極限狀態基本組合作用下，下弦桿鋼管組合應力最大值為181.8MPa

（5）下弦桿承載力驗算。依據《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 159-2004）中相關規定，驗算下弦桿承載能力：下弦桿中部：Mun=1.11372×104kN/m；下弦桿端部：Mun=9.84501×103kN/m。

通過提取有限元模型計算結果，可以得出：下弦桿中部軸力最大值為21282.7kN，同一單元繞Y軸彎矩為2815.0kN·m；下弦桿端部軸力最大值為4504.5kN，同一單元繞Y軸彎矩為1227.1kN·m；則，下弦桿承載力驗算如下：

下弦桿中部：N/fAsu+M/Mun=0.944<1；下弦桿端部：N/fAsu+M/Mun=0.293<1。

（6）腹桿應力計算結果。承載能力極限狀態基本組合作用下，腹桿的最大拉應力為246.3MPa，所在單元位置為梁端第二根腹桿處；最大壓應力為246.7MPa，發生在梁端第一根腹桿處；以上應力值均小于fd=295MPa，計算結果滿足要求。

（7）動力特性。由計算得第一至第四階頻率分別為1.9226、2.3797、2.6969、2.7423，圖2中，前兩階振型分別為縱橋向對稱豎彎和橫橋型反對稱豎彎，第三、四階振型均為人行道局部對稱豎彎，這是由于下弦桿外懸臂人行道造成的，且三、四階自振頻率很接近前二階整體豎彎頻率，對結構較為不利。

4.結束語

通過計算發現，鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿足受力要求，且施工階段應力儲備較富余，但由于單片頂推，施工時桁架面外需增加臨時支撐來保證性。本橋下弦桿外伸懸臂人行道，增加了上弦桿及腹桿應力，設計時應加強上弦桿及腹桿。外懸臂人行道部分對結構的自振也產生不利影響，設計時需采取措施減小振動。

參考文獻：

[1]陳志明，王賢強，張建東，等.大跨徑簡支鋼桁架橋頂推架設施工技術[J].施工技術，2018（S4）：643-646.

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