下承式钢桁梁桥在城市桥梁中的应用及结构设计

王朝华

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013)

0 引言

随着城市交通的飞速发展，下承式钢桁梁在城市立交高度受限的桥梁中的应用也日益增加。钢桁桥综合了钢材和桁架结构的特点，具有建筑高度低、跨越能力强、钢桁架结构抗压能力强、整体性好等特点，同时钢桁架构件适合于工业化制造，便于运输和工地安装，易于修复和更换。本文以长春市西安桥改造工程为例，介绍了下承式钢桁梁在市政桥梁应用中的结构设计特点以及施工方案，对钢桁梁在城市桥梁中的应用进行有益的探讨。

1 工程概况

西安桥位于长春市西安大路上，需同时跨越京哈铁路和长春轻轨3号线，桥梁与铁路正交。西安大路道路等级为城市主干道，设计桥梁荷载采用公路—Ⅰ级、设计行车速度60 km/h、桥面总宽度为41.2 m。根据总体规划，本桥为双幅桥，人行道布置于桁架外侧，单幅桥全宽16.4 m，两幅桥净距2.1 m。

此次设计由于桥下京哈铁路净空的要求，桥梁两侧道路需相应抬高。为减少道路抬高对两侧建筑物及路网的影响，下承式钢桁梁具有一定的竞争力:

1)当桥位处梁高受限严重时，下承式钢桁梁的结构高度具有特殊的优势。

2)钢桁梁施工周期短，可以在两侧拼装完成后，然后采用拖拉架设等便捷的施工方法，对既有铁路线影响小。

3)钢桁梁造型美观，可以满足城市桥梁对美学的较高要求。

虽然钢桥具有造价较高，后期维护费用大等缺点，但在特定的桥位与限制条件下，钢桁梁仍是一个经济合理的选择。本桥由于桥梁建筑高度和施工周期受限严重，经过多方案的技术比较后，确定采用下承式钢桁梁方案。

与常见的铁路下承式钢桁梁相比，本桥采用钢—混凝土结构组合桥面系，满足行车舒适性的要求。

2 结构设计

本桥采用1－60 m下承式简支钢桁梁，每幅钢桁梁桥由2片主桁、上下平面纵向联结系、桥门架、横向联结系及桥面系组成。

2.1 主桁

主桁的形式较多，为方便制造安装，本桥采用等高度带竖杆的三角形腹杆体系。本桥计算跨度为60 m，主桁桁高9.5 m，主桁中心距15.9 m;全桥共10个节间，节间长6 m。

主桁杆件上、下弦杆均采用宽500 mm、高700 mm的焊接H形截面;斜杆采用宽500 mm、高600 mm的焊接H形截面;竖杆采用宽500 mm、高420 mm的焊接H形截面;端斜杆采用宽500 mm、高700 mm的焊接箱形截面。所有杆件均采用工厂焊接，在工地通过节点板用高强螺栓拼接。主桁示意图见图1。

图1 主桁示意图（单位：mm）

2.2 上、下平纵联

上、下平面纵向联结系均采用K形式，与弦杆在节点处相连，以抵抗横向风力及弦杆变形产生的内力，纵向联结系均采用工字形焊接截面。

2.3 桥门架及横向联结系

为满足桥梁横向刚度的要求，在桁架两端斜杆所在的斜平面内设置桥门架(见图2)，上弦每两个节点设置一道横向联结系，桥门架及横联均采用H形焊接截面。

图2 桥门架示意图（单位：mm）

2.4 桥面系

桥面系采用钢—混凝土组合结构，由上部的混凝土桥面板和下部钢梁通过剪力钉结合而成。

桥面板采用钢筋混凝土结构，板厚15 cm，与纵、横梁相交处设置承托，板厚增至30 cm。在每道横梁处设置横向现浇接缝，纵向现浇接缝间距4 m。

钢梁采用纵横梁体系，纵横梁均采用工字形截面。

纵梁梁高500 mm，纵梁间距2.2 m。纵梁腹板通过角钢与横梁连接。纵梁与横梁的连接处设鱼形板，并在纵梁连接端下方设连接牛腿［1］。

横梁梁高由990 mm变至1 220 mm，以适应桥面横坡变化。横梁采用高强螺栓与主桁连接。

纵、横梁上翼缘顶面设置剪力钉与桥面板相连［2］。在纵梁跨中设置纵梁间横向联结系，对纵梁有弹性支撑作用，能够降低纵梁的跨中最大正弯矩，减少纵梁截面。

在横梁下缘设置下平联与主桁相连，使桥面系与主桁形成共同受力体系，增大了桥面系的整体刚度。

3 结构计算

3.1 主桁结构计算

全桥整体静力分析采用空间有限元程序MIDAS计算，模型中杆件主要包括上弦杆、下弦杆、竖杆、斜杆、纵梁、横梁、托架、横联及上下平联，杆件均采用杆系单元。边界条件为E0处设固定铰支座，E0′处设置活动铰支座，横桥向仅在上游侧设置横向约束。有限元模型图见图3。

图3 空间计算模型图

经计算表明，结构强度、刚度及稳定性均满足规范要求。

3.2 横梁计算

横梁计算时，假定横梁为支撑于主桁节点的简支梁、每片横梁承受一个节间的恒载、活载纵向两个节间进行最不利加载、横向按四车道最不利加载。

3.3 纵梁计算

纵梁计算时，假定纵梁为支撑于横梁上的连续梁、每片纵梁承受一个节间的恒载(横向承担的恒载为2.2 m宽)、活载纵向多节间进行最不利加载、横向按四车道最不利加载。

3.4 主桁节点计算

节点计算包括杆件连接计算和节点板计算。

4 施工方案

钢桁梁通常采用的施工方法有悬臂施工法、门吊施工法、纵向拖拉法等。本桥根据桥梁所处的位置及现场实际的情况，采用拖拉架设法施工。

首先在桥跨附近合适位置平整场地，布置拼装支架及拖拉支架，拼装支架顶面布置拼装平台，钢梁在拼装平台上使用吊机安装，通过牵引装置在拖拉支架上滑移钢梁至桥跨处，钢梁调整后就位，进行下一步桥面附属施工。钢桁梁拼装支架采用排式支架，结构可为万能杆件或钢管形式，支架基础根据受力情况可采用扩大基础或桩基础。支架的跨度根据设计及计算要求确定，结构形式一般为桩基础，钢桁梁前端设导梁用于滑移牵引，拖拉采用卷扬机滑轮组作动力。钢梁一般一次性拼装完成，整体拖拉到位，若为节省下滑道长度，亦可随拼随拖。

5 结语

1)下承式钢桁梁桥已被广泛用于铁路桥梁中，随着科技的进步，在公路和城市桥梁的新建和改建工程中，当桥下净空和施工工期受限时，下承式钢桁梁桥具有巨大的优势。

2)钢桁梁桥的设计除了注重主体结构构件设计外，还应注重节点连接、桥面系构造等细部构造的设计处理。

3)设计过程中，应充分征求有经验的钢梁制作厂家和施工单位的建议，按照可行的制造工艺和施工方案进行设计，对设计和施工具有很大的益处。

［1］ 吴 冲.现代钢桥［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.