不老河大橋簡支鋼桁架主橋上部結構總體設計

張燦華，劉樊程

(徐州市交通規劃設計研究院 徐州市 221006)

簡支鋼桁架橋其優美的造型、高強的跨越能力、良好的經濟性和環保型，使得簡支鋼桁架橋不僅在鐵路橋梁中應用廣泛，如今在公路及城市橋梁中的應用也越來越多，伴隨著防腐涂裝技術的發展，更推動著這一橋型的普及推廣。

1 項目概況

某項目建設工程跨越不老河，路線與不老河右偏角為87.3°，該處不老河為二級航道,最高通航水位29.43m，最低通航水位25.83m，通航凈空為70×7m。本橋主橋采用1-81.5m簡支鋼桁架橋一孔跨越通航水域，主橋為等高鋼桁架，主梁為三角桁架，橫向采用兩片主桁結構，主桁中心距27.5m，標準節間距10.0m；橋梁引橋采用30m預應力混凝土箱梁，全橋跨徑組合為2×(3×30)m+81.5m+2×(3×30)m，橋梁全長449.86m，橋梁下部結構主橋采用柱式墩，群樁基礎，引橋采用柱式墩、臺，鉆孔灌注樁基礎。

不老河大橋平面位于直線段內，豎曲線為凸曲線，半徑為R=6500m，縱坡為2.5%，變坡點最高點位于不老河航道中心線處。

2 構件設計要點

2.1 主桁

主桁采用不帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系，節間長度10.0m，主桁上弦采用直線形，主桁高度10.5m；兩片主桁中心距為27.5m，橋面寬26m；主桁上、下弦桿采用箱形截面，上下弦桿均采用焊接整體節點，在工廠內將桿件和節點板、各連接件的接頭板焊成一體，運到工地工廠架設時，在工地通過高強螺栓在節點之外拼接。弦桿截面內寬700mm，內高700mm，其中豎板分為20、30、40、50mm四種，水平板厚分為20、30、40、50mm，為與混凝土板結合，下弦桿水平板伸出300mm，豎板伸出250mm，弦桿采用高強度螺栓四面對拼連接方式。

主桁端斜桿采用箱形截面，截面尺寸同上下弦桿，豎板厚40mm，水平板厚40mm；第2、3、4#腹板采用箱形截面，截面內高均為700mm，豎板及水平板板厚均為30mm。其余斜腹桿采用H型截面，截面高度均為700mm，豎板板厚度18mm，水平板厚度24mm。箱形腹桿采用插入節點板四面連接方式，H形腹板均采用插入節點板兩面連接方式。

2.2 預拱度

橋址處路線縱斷面為雙向2.5%縱坡，豎曲線半徑R=6500m，主橋鋼桁梁根據路線縱斷面及恒載+1/2活載撓度反向值疊加進行預拱度的設置，鋼梁豎曲線通過設置預拱度和局部調整鋪裝層厚度綜合實現。

鋼桁梁結構的起拱，采用下弦節點長度不變，伸長或縮短上弦節間長度的方法實現。

2.3 聯結系

橋梁在上弦設置上平聯。上平聯采用K形，由斜桿和橫向撐組成，斜桿與橫撐均為工字形截面，截面高度均為500mm，寬度均為500mm。

2.4 橋面縱、橫梁結構

橋面縱梁標準跨徑為10.0m，主梁橫向共設置9道縱梁，縱梁橫向間距3m，全橋縱梁共分為標準縱梁及端縱梁兩種類型。

在下弦每個節點處設置橫梁，縱梁支撐在橫梁上，中橫梁采用工字型截面，梁高1.2～2.455m，橫梁頂設雙向2.0%橫梁，橫梁頂板與下弦桿伸出頂板焊接，腹板及底板與節點伸長板件均采用螺栓連接，橫梁腹板上設豎向加勁肋。中橫梁頂板寬600mm、厚50mm，底板寬1000mm、厚50mm，腹板厚32mm。

端橫梁采用箱形截面，高度為1.2～2.455m，內寬為1240mm，橫梁頂設雙向2.0%橫坡，橫梁頂板與下弦桿伸出頂板焊接，腹板及底板均采用螺栓連接，橫梁腹板上設豎向加勁肋，端橫梁頂、底板寬2080mm，厚均為50mm，腹板厚度20mm。

縱梁為工字型截面，梁高為800mm，頂板寬500mm、厚20mm，底板寬400mm、厚24m，腹板厚14mm。

縱梁與橫梁相交處，縱梁底板穿過開孔橫梁腹板。

3 結構計算分析

3.1 計算模型

采用MIDAS三維空間有限元軟件進行全橋靜力分析，驗算結構在承載能力極限狀態下各構件的受力狀況及正常使用狀況下的撓度；并對全橋進行動力特性計算，同時分析結構自振頻率和振型。

靜力分析模型中，主桁、平聯、橋門架等單元均采用梁單元模擬，橋面板、鋪裝和護欄等作為荷載模擬，全橋共劃分節點數量151個，梁單元數量296個；動力特性分析模型中，橋面板采用板單元模擬，其余桿件采用梁單元模擬，鋪裝和護欄等作為荷載模擬，全橋共劃分節點數量151個，梁單元數量296個，板單元數量80個。

圖2 主橋計算模型

3.2 相關參數

(1)恒載

一期恒載：按構件實際斷面計入。

二期恒載：橋面板、橋面鋪裝、防撞護欄等。

(2)活載

汽車荷載等級為公路-I級，橫橋向按4車道考慮。

(3)溫度荷載

設計溫度：假定合龍溫度為20℃。

主橋所在區域為寒冷地區，參照規范整體升降溫取±30℃。梯度溫度按照《公路橋涵通用規范》(JTJ D60-2015)4.3.12條計算。

(4)風荷載

按照《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)規定執行。

3.3 荷載組合

本工程主橋設計安全等級為一級，應取結構重要性系數γ0=1.1。根據《公路橋涵通用規范》(JTJ D60-2015)的相關條文進行最不利荷載組合。

3.4 主橋總體計算結果

3.4.1結構應力驗算

主橋中主桁鋼板、聯結系均采用Q370qD，按照《公路橋涵通用規范》(JTG D60-2015)的有關規定進行最不利荷載組合，應力驗算結果以拉為正，壓為負。

(1)主桁架上弦桿

圖3 上弦桿最不利荷載組合應力圖

主桁架上弦桿均為受壓，最大壓應力位于跨中-167.5MPa，最小壓應力-101.66MPa。

(2)主桁架下弦桿

圖4 下弦桿最不利荷載組合應力圖

主桁架下弦桿均為受拉，最大拉應力151.54MPa，最小拉應力39.29MPa。

(3)主桁架腹桿

主桁架腹桿按受力不同分為拉桿和壓桿，壓桿最大壓應力位于E0A1桿件，為-204.31MPa，拉桿最大拉應力位于E1A1桿件，為215.4MPa。見圖5。

(4)主桁架上平聯

主桁架上平聯最大壓應力位于A4節點對應的上平聯橫桿，為-101.25MPa，最大拉應力位于橋門架斜桿，為44.34MPa。見圖6。

圖5 腹桿最不利荷載組合應力圖

圖6 上平聯最不利荷載組合應力圖

(5)主桁架橫梁

圖7 橫梁最不利荷載組合應力圖

主桁架橫梁最大壓應力位于E2節點對應的橫梁中部，為-156.07MPa，最大拉應力位于E2節點對應的橫梁端部，為242.65MPa。

根據驗算結果，主橋主要構件應力驗算匯總見表1。

表1 應力驗算匯總表

結構驗算表明，主橋主要構件應力均能夠滿足規范要求。

3.4.2結構變形驗算

由計算結果知，恒載作用下撓最大位移98.2mm，汽車荷載作用下撓最大位移14.9mm。w=15mm

圖8 恒載作用下結構下撓變形圖

圖9 汽車荷載作用下結構下撓變形圖

3.4.3結構支座反力驗算

全橋共4個支座，1個固定支座，1個雙向支座，2個單向支座。

根據計算結構，標準組合下最大支反力值為9461.7 kN，所選用支座設計承載力為12.5MN，9461.7kN<12500kN，故支座選取滿足要求。

3.4.4結構整體動力特性分析

動力特性分析模型中，除橋面板采用板單元進行模擬外，其余桿件均采用梁單元進行模擬，計算得結構的前6階自振頻率，結果見表2。

表2 結構前六階自振頻率

4 結論

隨著社會的發展，對橋梁美觀、環保及經濟性要求越來越高，簡支鋼桁架橋外形優美，施工過程環保可控，且建筑高度低，跨越能力強，有效減小橋梁規模，經濟效益好。在今后的橋梁建設項目中具有很強的適用性。