公路下承式简支钢桁梁桥设计浅析

李智　江克斌

摘 要：在中等跨径的桥型方案选择中，钢桁梁桥因具备建筑高度低、架设速度快、凸显景观效果等优势被越来越多的建设者所青睐，本文以京杭运河泗阳闸桥及接线改造工程中的一二三线船闸桥为例，介绍了该类桥梁的构造及计算要点，希望能对今后同类型桥梁的建设提供有益参考。

关键词：公路桥；钢桥；桁架桥；结合梁；桥梁设计

1 前言

下承式简支钢桁架桥在铁路桥梁中应用较为普遍，我国在20世纪60年代就制定了跨度24～120m的铁路下承桁梁桥的标准设计，而在公路及市政领域应用较少。随着我国钢产量的增加和钢材防腐技术的进步，在公路领域特别是城市道路中选用钢桁架桥不仅可以适应当今快速、重载交通的要求，同时由于在减小建筑高度、减轻结构自重、缩短桥头接线等方面具有明显的优势，所以在一些特定的桥位与限制条件（满足通航净空的同时满足桥头纵坡、高度震区等）下，该桥型往往会成为既经济又美观的合理选择。

2 概述

京杭运河泗阳闸桥及接线改造工程中的一二三线船闸公路桥位于七度震区，为避免新桥桩基与船闸结构物冲突且同时满足通航（二级航道）和降低桥头纵坡的要求，主桥需要采用50m左右跨径的桥梁，混凝土连续梁由于其建筑高度高、联长长，不能同时满足该处的几项限制条件；由于该桥临近县中心区域，业主对景观也提出了较高要求，下承式钢桁架桥方案在此桥位处优势明显，桥梁总体布置见图1～2。

3 主要技术标准

3.1设计标准

参照一级公路标准，断面采用分离式双向四车道，设计行车速度60Km/h，人行道宽1.5m。

3.2线路情况

桥梁平面位于直线段上，竖向最大纵坡为2.8%。

3.3桥梁净空

橋梁净空按现行《公路桥涵设计通用规范》中规定的一级公路净空高度的要求执行，桥面以上有效车行道净高不小于5.0m。

3.4设计荷载

（1）恒载：恒载根据钢桁梁实际截面与容重计算，考虑构造、拼接和焊缝等结构系数；

（2）活载：公路-I级，人群荷载3.5KN/m2；

（3）疲劳计算冲击系数：1+15/（37.5+L）；

（4）制动力、纵横向风力：参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）计算；

（5）温度荷载：

①系统温差——按体系升降温±25℃考虑；

②日照温差——按照一侧主桁升降温±5℃考虑。

4 设计要点

4.1结构构造

主桥采用下承式简支桁架桥，上部主体结构由2片主桁、联接系、桥面系、桥面板四部分组成，主要杆件节点采用M24高强螺栓连接，设计预紧力240KN。桥面纵坡及预拱度通过上、下弦杆采用不同节间长度形成。

（1）主桁架

主桁是钢桁架桥的主要承重结构，主要承受竖向荷载。他的图式很多，按照经济、构造简单、有利于标准化与便于制造安装的选取原则，本桥选择了铁路桥梁标准设计中常用的带竖杆的三角形腹杆体系，计算跨径49.0m，主桁高度8m（经济梁高约为跨径的1/5.5～1/8）；全桥共分为8个节间，每个节间长度6.125m（合理的节间长度为0.6～0.8h），高跨比为1/6.125，斜腹杆倾角为52.6°（合理倾角为50°左右）。两片主桁的中心距为11.7m，宽跨比为1：4.2。

主桁上、下弦杆均采用焊接箱形截面，截面宽500mm，高均为580mm；腹杆均采用焊接H形截面，截面宽400mm，高500mm，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。联接系杆件多采用H型钢而非工字钢，主要是由于本期主要杆件均采用高强螺栓连接，相比之下H型钢具有宽且平的翼缘，容易满足要求且便于施工。

（2）联接系

联接系分为纵向与横向两种，主要作用是将两片主桁架连接起来，使桥跨结构从体系上成为稳定的空间结构，增强侧向刚度和抗扭刚度，能承受各种横向荷载。

上、下平纵联均采用X形式，与弦杆在节点处相连，杆件断面均采用H型钢；横联每隔两个节点设置一道，桥门架采用箱型闭合焊接截面，中横联采用H型截面。

（3）桥面系

桥面系是由横梁、次横梁及纵梁构成的梁格系，桥面系以上部分荷载由桥面板传至纵、横梁，再由横梁通过节点传递至桁架杆件。

均采用工型截面，纵梁梁高400mm，横向间隔2m，共设6道；横梁梁高800mm，顺桥向沿节点共设9道，横梁采用高强螺栓与主桁连接。

（4）桥面板

桥面板采用钢筋混凝土结构，板厚18cm，与桥面系纵、横梁相交处设置承托，板厚增至25cm。钢纵、横梁上翼缘顶面设置圆柱头焊钉连接件，与桥面板通过预留的接缝现浇混凝土相连。

本桥采用的钢-混组合行车道系具有桥面恒载小，吊装重量轻、建筑高度低、桥面系刚度大等优点。

4.2结构计算

（1）主桁计算

计算分别采用面内平面杆系和整体空间杆系两种建模方法进行有限元分析。平面模型采用桥梁博士进行计算，活载的横向分布系数按杠杆原理计算，冲击系数取1+15/（37.5+L）；空间模型采用MIDAS-Civil程序建模分析，将钢桁架和纵横梁离散为梁单元，不考虑桥面板参与作用（后文做专项对比分析），两种方法的应力计算结果见下表。

（2）主桁节点计算

节点计算主要包括杆件连接计算与节点强度检算。

（1）杆件连接计算

主桁杆端连接螺栓的个数与弦杆拼接螺栓的个数均采用承载能力计算，对联接系等不承受活载的杆件以及受活载影响较小的次要杆件，连接螺栓按杆件内力计算。

（2）节点强度验算

目前对节点板计算尚无比较简便的精确计算方法，在设计节点板时，首先按照经验确定节点板的厚度，再根据钉孔布置确定节点板的外形及尺寸，最后采用近似方法检算。验算的内容包括根据判断的可能破裂面对应的进行：节点板撕破强度检算、节点板中心竖直截面的法向应力检算、节点板水平截面的剪应力检算。

（3）桥面系与桥面板计算

本次设计直接利用MIDAS模拟下弦杆、纵梁、横梁组成的空间梁格系，按最不利的加载位置求出最大设计内力，这里需要注意的是纵、横梁构件的截面宜按照钢-混组合梁进行使用阶段的钢梁上下缘应力、混凝土翼板压应力、挠度、强度及稳定性（整体与局部）验算，对纵横梁上的剪力键焊钉数量确定最好采用弹性分析法与塑性分析法对比计算；桥面板按照多跨连续板计算跨中和支点配筋，满足现行公路桥梁规范即可。

（4）联结系计算

联结系的计算思路同桥面系，但是计算荷载只考虑横向力与水平向力。在构造上由于平纵联与主桁上、下弦杆之间可以传递位移，这会在斜杆内产生相当大的内力，计算中这个力不能忽略，这一点在公路与铁路桥梁设计规范中均有比较精确的计算公式。

（5）预拱度

预拱度的设置是下承式简支钢桁架桥在设计与拼装过程中需要关注的一个重点，预拱度值的计算方法在公路与铁路钢桥规范中都是一致的，即预拱度值f=恒载挠度值+1/2静活载挠度值（不计冲击），预拱度一般做成圆弧形，圆弧半径可通过上式计算确定的预拱度值f或者上弦杆每个节长的延伸量△（结合相应材质、对应温度的线膨胀系数取值）来反推，习惯上取拱值偏大的做法。

5 结语

本文扼要的介绍了泗阳一二三线船闸桥的构造与设计要点，对比了适用于该桥型的不同计算方法，为今后同类型桥梁的设计提供了参考。

参考文献：

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