某跨高速公路大橋下乘式簡支鋼桁架主橋上部結構設計分析

劉樊程

（徐州市交通規劃設計研究院，江蘇徐州221006）

0 引言

簡支鋼桁架橋憑借其高強的跨越能力、優美的造型、良好的全壽命周期經濟性和環保性，在公路橋梁中的應用越來越廣泛。

1 項目概況

某建設工程項目新建段為雙向六車道一級公路，設計車速100km/h，路基全寬33.5m，中央分隔帶寬2m，項目路于高速公路樞紐分流鼻端跨越高速公路，項目路路線與高速公路主線右偏角為105.2o，該處高速公路為雙向六車道，設計車速120km/h，由于橋位位于分流鼻末端，為給今后樞紐改造預留空間，本橋一孔跨越高速公路樞紐，橋下凈高大于等于5.5m。本橋主橋采用1-92.6m 下乘式簡支鋼桁架橋（如圖1所示）一孔跨越高速公路樞紐，橋梁分幅設置，為滿足左右幅兩座鋼桁架橋設置空間，橋梁段中央分隔帶加寬至4m。橋梁引橋采用35m 預應力混凝土箱梁，全橋跨徑組合為(5×35)+2×(4×35)+92.6+(3×35)m，橋梁全長660.76m，橋梁右偏角105o。主橋下部采用柱式墩，柱徑2m，下接承臺高2.5m，每個橋墩用18 根φ1.5m 鉆孔灌注樁基礎。引橋橋墩采用柱式墩，樁基礎及擴大基礎橋墩樁基直徑為φ1.6m，橋臺采用肋板式橋臺下接群樁基礎及座板式橋臺，擴大基礎，橋臺樁基直徑為φ1.2m。

圖1 主跨橋型布置

跨高速公路大橋平面位于直線段內，豎曲線位于半徑R=7000m 的凸形曲線內，縱坡為2.5%。

2 橋梁橫斷面布置

主橋半幅橫斷面為2×0.963m（桁架）+2×0.525（護欄）+凈-15.475m（行車道）=18.45m。橋面鋪裝為25cm 厚C50 混凝土橋面板+10cm 厚瀝青混凝土。路面為雙向2%橫坡，由橫梁變高形成[1]。

3 總體布置及主要結構形式

主桁架采用等高的華倫式三角形腹桿體系，主桁中心高度11m，全橋采用等節間的布置方式，節點布置為10×9.1m，高跨比為1/8.3。兩片主桁中心距采用17.8m，寬跨比為1/5.2，橋面凈寬2×15.475m。

3.1 主桁桿件截面

主桁弦桿采用焊接箱形截面，截面寬度均采用650mm，截面高度有800mm 和1100mm 兩種，其中豎板厚28～40mm，水平板厚24～32mm，桿件按照四面拼接設計，拼接處桿件的寬度及高度均相同，不同高度的桿件之間通過墊板進行調整。

3.2 主桁節點

主桁節點均采用整體節點板高強螺栓栓接節點板厚度16～28mm。

3.3 平聯

本橋僅設置上弦平聯，上弦平聯設置為X 形桁式，上弦平聯由橫向撐和斜向撐組成，僅端部橫向撐設置為箱形截面，截面寬度為600mm，高度為500mm，余均設置為工字形截面，截面高寬、寬度均為500mm。

3.4 橋門架

全橋于橋端設置兩處橋門架，門架采用桁架式，桿件均采用工字形截面，截面寬360mm，高460mm。

3.5 縱橫梁體系

本橋采用縱橫梁體系，半幅主梁橫向共設置5 道縱梁，縱梁橫向布置為4×3.4m，縱梁計算跨徑9.1m，縱梁為工字型截面，截面高度800mm，寬度500mm。

橫梁設置在下弦桿節點處，全橋橫梁分為兩種，設置與主桁端部的端橫梁及設置在主桁中部的中橫梁，其中端橫梁采用魚腹式箱型截面，截面寬750mm，端橫梁端部高1.0m，跨中高1.4m，截面變高處理，半幅橫梁梁頂橫坡為2.0%，端橫梁橫梁腹板上設豎向及縱向加勁肋。中橫梁采用魚腹式工字型截面，底板寬800mm，頂板寬600mm，截面高1.0～1.4m。底、頂板及腹板厚度分別為32mm、24mm 及20mm[2]。

縱、橫梁連接處，頂板通過節點板采用高強螺栓栓接，橫梁腹板開孔，以供縱梁底板穿過，縱梁底板不截斷。

3.6 橋面系

由于本橋為一級公路上的橋梁，項目路交通量大且重車占比大，為保證橋面耐久性，橋面板采用疲勞性能好的混凝土橋面板，橋面板分為預制、現澆兩部分，預制橋面板采用C50 混凝土，現澆橋面板采用C50UEA 補償收縮混凝土，預制橋面板厚度為25cm，每個節間沿縱向設置1 塊、沿橫向設置4 塊預制橋面板。預制板縱橫梁均設置剪力鍵，剪力鍵突出5cm。

4 結構計算分析

4.1 計算模型

主橋空間靜力計算采用MIDAS/CIVIL 程序建立空間桿系模型進行計算，主桁、平聯、橫縱梁等均采用梁單元，橋面板采用板單元進行模擬。設計荷載有永久荷載、汽車荷載、人群荷載、風荷載、溫度荷載及地震荷載，按規范進行最不利荷載組合。

本橋模型共劃分171 個節點，366 個梁單元，80 個板單元（如圖2所示）；護欄及橋面鋪裝按照均布荷載分別作用于縱、橫梁。

圖2 主橋結構MIDAS 計算模型

4.2 主橋總體計算結果

4.2.1 應力驗算

主橋各桿件均采用Q345qD 鋼，且厚度均小于50mm，根據《橋梁用結構鋼》（GB/T 714-2015）屈服強度σs=345MPa，設計安全系數K=1.7，容許應力為[σ]=202.9MPa。計算結果按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）最不利荷載組合得出如表1所示。

表1 應力驗算結果匯總表

根據驗算結果，主橋各主要構件應力均滿足相關規范要求。

4.2.2 結構變形驗算

《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）簡支鋼桁架豎向撓度限值為l/500，本橋計算跨徑91m，根據規范，本橋豎向撓度限值91000/500=182mm，根據計算結果，結構在不計沖擊力的汽車荷載作用下產生的最大豎向位移為12.8mm，w=12.8mm＜182mm，結構變形滿足規范要求。

4.2.3 主橋支撐體系選擇

支反力計算結果顯示，標準組合下最大支反力值為6704.5kN，主橋支座承載力為8MN 的QZ-8000 支座，支座承載力滿足使用要求。

4.2.4 結構動力特性分析

根據動力特性分析模型計算得到結構的前6 階自振頻率如表2所示。

表2 結構前六階自振頻率

5 結語

下乘式簡支鋼桁架橋造型簡單大方，采用頂推施工方案，施工過程對橋下交通影響小，建筑高度低，自重輕，跨越能力強，能夠有效減小橋梁總體規模，全壽命周期經濟效益好，應用前景廣闊。