蒸汽管網鋼桁梁橋結構設計與分析

石若汐SHI Ruo-xi

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 工程概況

某蒸汽管網工程位于河北省滄州市渤海新區，管道規格為4 根直徑（DN）600 蒸汽供熱管道，管線在港務公司外跨越中鋼鐵路1 股道，鋼桁梁橋與鐵路軌面凈空距離不小于12.5m，鋼桁梁橋基礎位置不得侵入鐵路的建筑限界或鐵路用地紅線。

為減少施工及運營階段對橋下鐵路的影響，確保跨越鐵路的安全性，并兼顧經濟性，采用一孔鋼桁梁橋架空敷設方式跨越中鋼鐵路。橋梁支承體系為1-70m 簡支鋼桁架梁橋，橋寬4m，橋型布置見圖1。鋼桁梁上部結構采用分段預制吊裝拼裝法施工，下部墩柱采用整體吊裝法施工。

圖1 鋼桁梁橋橋型布置圖（單位：cm）

2 1-70m 鋼桁梁橋結構設計

鋼桁梁主跨為70m，支座中心至梁端距離為0.5m，主桁采用N 形桁式，節間長度3.5m，主桁桁高3.8m，主桁中心距4m；上、下弦桿采用焊接箱形截面，上、下弦桿高和寬均為50cm，弦桿節間長350cm。豎腹桿均采用Φ194×8mm無縫鋼管，端部豎腹桿采用箱形截面，截面高、寬均為30cm。斜腹桿采用Φ245×18mm、Φ203×14mm 無縫鋼管，端部斜腹桿采用箱形截面，截面高、寬均為30cm；上、下平聯橫梁采用高和寬均為25cm 和20cm 箱形截面，端部平聯橫梁采用高30cm、寬25cm 箱形截面，縱梁采用工字鋼HW 100×100×6/8。橋面小橫梁采用[10 槽鋼，橋面板采用6mm 厚花紋鋼板。主橋墩頂設置板式橡膠支座、四氟乙烯滑板式橡膠支座。

下部結構同樣采用鋼桁架，橋墩采用格構式橋墩，每座橋墩共四根立柱，鋼桁架橋墩立柱的橫橋向中心距為4m，縱橋向中心距為2.5m，墩高均為13.8m。橋墩主肢采用焊接40×25cm 箱形斷面，節間長3m，斜腹桿、平行腹桿及橫撐采用Φ168×6mm 無縫鋼管，頂部縱向腹桿采用Φ168×8mm 無縫鋼管，下部橫向腹桿采用Φ219×16mm 無縫鋼管。

墩底鋼-混凝土過渡段長2.5m，采用鋼筋混凝土外包鋼柱的形式，鋼柱底采用M30 預埋地腳錨栓錨固于承臺內，混凝土柱截面尺寸1.0×1.0m，鋼、混凝土結合面設Φ22×120 栓釘。

承臺采用鋼筋混凝土結構，每座承臺下設4 根鉆孔灌注摩擦樁，樁徑為1.0m，樁基的橫橋向中心距為4m，縱橋向中心距為2.5m。根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》（TB10093-2017）中第6.3.2 條，為滿足承臺邊緣至最外一排樁的凈距要求，承臺尺寸設為4.5m×6.0m×2.0m。

橫斷面布置見圖2。

圖2 鋼桁梁橋橫斷面布置圖（單位：cm）

3 鋼桁梁橋上部結構計算

采用Midas Civil 建立空間有限元模型，對本橋進行受力分析時，將主桁、橫梁離散為梁單元，鋼桁梁橋上部結構整體模型如圖3 所示。

圖3 鋼桁梁橋上部結構整體計算模型

在計算時，一期恒載采用構件自重并考慮1.2 的構造系數。其中，橋面［10 槽鋼長4m，間距0.5m 布置，全橋共計141 根，槽鋼面荷載為0.237kN/m2；6mm 橋面板長70m，寬4m，面荷載為0.554kN/m2；橋面面荷載合計0.791kN/m2。二期恒載為管道荷載及防護網荷載，管道荷載通過固定支架及滑動支架分別以豎向荷載、側向荷載、軸向荷載的形式施加至鋼桁梁節點處，防護網按2kN/m 計。

活載考慮了檢修時的人群荷載4kN/m2及當地的雪荷載0.35kN/m2。

同時按《鐵路橋涵設計規范》（TB10002-2017）附錄C對于風荷載做如下布置：基本風壓值取100 年一遇風壓值W0=0.7kPa，體形系數K1取1.3，風壓高度變化系數K2取1.13，地形、地理條件系數K3取1.3，鋼桁梁折減系數取0.4，考慮防護網的阻風作用應乘2.0 系數，橫向風力受風面積的折減系數取0.8。在Midas Civil 中按梁單元線荷載施加在上、下平聯桿件，考慮防護網風荷載豎向偏心1.303m，q=3.32kN/m。

荷載組合分為主力組合、主力+附加力組合。主力組合即組合Ⅰ：恒載+人群荷載（容許應力提高系數1.0）；主力+附加力組合包括組合Ⅱ：主力+橫向風力（容許應力提高系數1.30）與組合Ⅲ：主力+溫度荷載。

3.1 上部結構整體計算

首先對鋼桁梁上部結構進行整體計算，表1 為運營階段鋼桁梁支座反力計算匯總，根據結構恒載、活載及實際受力情況選擇相應的支座，其中，1、2 號支座選用矩形板樁式橡膠支座GBZJ400×500×69，3、4 號支座選用四氟乙烯滑動板式橡膠支座GBZJH400×500×71。

表1 運營階段支座反力表

3.2 桿件局部檢算與內力計算

本小節進一步對鋼桁梁主要桿件進行局部檢算及內力計算。基于桿件截面慣性矩及長細比，確定各桿件的容許應力，根據計算得到的鋼桁梁各主要桿件應力，進行運營階段桿件強度檢算。各主要桿件容許應力及應力檢算見表2。

表2 主要桿件應力表（MPa）

由桿件應力檢算可知，在設計試算過程中應著重注意各部分桿件試算過程中應力最大的桿件，并考慮各桿件之間的聯系與受力特性，必要時應予以加強，以滿足鋼桁架結構的安全性。

根據運營階段鋼桁梁各部分主要受力桿件在各種工況下的內力情況，考慮毛截面抵抗矩及截面折減系數等因素，按材料力學中桿件強度的計算方法分別計算桿件中心受拉應力、主平面受彎應力、偏心受壓及受拉應力、剪應力等，組合得到截面換算應力及安全度列于表3。

表3 主要桿件換算應力表（MPa）

3.3 桿件疲勞強度檢算

本節對鋼桁梁各主要桿件的疲勞強度進行了檢算，桿件的疲勞強度檢算按《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB10091-2017）中第4.3 節相關規定進行。疲勞計算時，只對拉-拉構件、以拉為主的拉-壓構件、以壓為主的拉-壓構件這三種情況進行疲勞檢算，當疲勞應力均為壓應力時，不進行疲勞檢算。疲勞強度檢算僅考慮人群荷載，不考慮雪荷載，檢算結果如表4 所示。

表4 主要桿件疲勞應力幅表（MPa）

3.4 鋼桁梁撓度分析

通過計算分析可知，運營階段1-70m 鋼桁梁活載產生的豎向撓度為41.0mm，撓跨比為1/1707，滿足橋梁撓度容許值L/500（140mm）的要求。結構豎向自振頻率不作要求。

參考《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015），主梁結構應設置預拱度，其值采用結構自重加1/2 活載所產生的豎向撓度，并應做成圓滑曲線。梁體除考慮預拱度外還應考慮縱向排水，縱向設人字形排水縱坡，按恒載作用下保證3‰的排水縱坡設置。由于本鋼桁梁橋人行荷載僅為檢修荷載，因此梁體線型僅考慮恒載產生的豎向撓度和排水縱坡，恒載產生的豎向撓度為164.6mm，大于跨徑的L/1600（43.75mm），故本橋設預拱度。根據計算結果可得，上、下弦桿設置的最大預拱度均位于跨中位置處，預拱度值分別為269.609mm、269.453mm，方向向上。

4 鋼桁梁橋下部結構計算

4.1 鋼桁架橋墩計算

采用Midas Civil 建立空間有限元模型對本橋墩進行受力分析，在進行整體計算時同樣將主桁、橫聯離散為梁單元，橋墩模型如圖4 所示。

圖4 鋼桁架橋墩整體計算模型

在計算時，鋼桁梁梁部支座反力依據第3.1 節取值，橫風水平力產生的反力為259.1kN（一孔梁一端），縱向水平力產生的反力為1269.4×0.05+120.2=183.67kN，其中一部分為支座摩阻力由恒載產生的摩阻力，系數取0.05，另一部分為管道縱向荷載產生的水平反力。

一期恒載在Midas Civil 中按構件自重考慮計入并考慮1.2 的構造系數，管道二期恒載計算結果提取支反力，按最大支反力667.3kN 考慮。風荷載強度取值為W=K1×K2×K3×W0=1.34kPa，在Midas Civil 中按梁單元線荷載施加在立柱上，縱風、橫風荷載分別為q=1.07kN/m、q=0.67kN/m。

荷載組合與鋼桁梁上部結構計算一致。

4.1.1 橋墩整體計算

首先對鋼桁架橋墩進行整體計算，表5 為運營階段單個橋墩墩柱底反力計算匯總。

表5 運營階段墩柱底反力表

4.1.2 桿件局部檢算與內力計算

同樣，對鋼桁架橋墩的主要桿件進行局部檢算及內力計算。各主要桿件容許應力及應力檢算見表6。

表6 主要桿件應力表（MPa）

根據鋼桁架橋墩各部分主要受力桿件在各種工況下的內力情況，考慮毛截面抵抗矩及截面折減系數等因素，計算各應力組合得到截面換算應力及安全度列于表7。

表7 主要桿件換算應力表（MPa）

4.1.3 桿件疲勞強度檢算

本小節對鋼桁架橋墩各主要桿件的疲勞強度進行了檢算，桿件的疲勞強度檢算同樣按《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB 10091-2017）中第4.3 節相關規定進行，檢算結果見表8。

表8 主要桿件疲勞應力幅表（MPa）

4.1.4 橋墩撓度分析

通過計算分析可知，13.8m 高鋼桁架橋墩墩頂縱向水平位移23.49mm，橫向水平位移16.08mm，滿足《鋼結構設計標準》GB50017-2017 中撓度容許值L/400（34.5mm）的要求。有關結構豎向自振頻率，在此不作要求。

4.2 承臺與樁基計算

承臺與樁基礎的計算是根據前部分鋼桁架橋墩的計算進一步獲得的，橋墩承受上部結構荷載并傳遞到承臺與樁基。

4.2.1 承臺計算

由于承臺滿足《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011 中剛性角的要求，無需單獨檢算，設計時按構造配筋即可。

在鋼桁架橋墩模型里建立混凝土承臺梁單元，將墩底4 個立柱節點與承臺頂單元剛性連接，用于提取承臺底反力的最大值，根據計算結果得到承臺底總反力見表9。其中Midas Civil 中承臺底約束采用一般彈性支撐，約束剛度矩陣通過自編程序進行計算，承臺與樁基計算模型如圖5所示。

表9 承臺底總反力表

圖5 承臺與樁基計算模型

4.2.2 樁基計算

將Midas Civil 中提取的承臺底最大反力值輸入自編程序中，計算得到各樁頂最大反力如表10 所示。

表10 各樁頂最大反力值

根據摩擦樁穿過各土層信息，如土層容重、土層厚度、摩阻力、承載力特征值，參照規范進行摩擦樁單樁容許承載力靜力計算。經計算分析，采用樁長34m 摩擦樁滿足承載力要求。

5 結論

綜上所述，本文對鋼桁梁橋梁部、橋墩、樁基全結構進行了結構設計分析與承載力強度計算，鋼桁梁橋結構承載力、應力、內力等各檢算項目均符合相關設計規范要求，其安全性與穩定性均有所保證。經過上述結構設計與計算分析可知：在設計及施工、運營過程中應重視各部位應力最大的桿件，并考慮各桿件之間的聯系與受力特性，必要時應予以加強，以滿足鋼桁架結構的安全穩固。