一座密布横梁钢桁梁桥的设计与分析

金叔阳

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

一座密布横梁钢桁梁桥的设计与分析

金叔阳

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

泰兴市文江大桥主桥采用40m钢桁梁，桥位处边界条件复杂，限制因素多。结合文江大桥设计全过程，主要介绍了总体设计思路及桥梁关键技术难点分析，总结了该桥型用于丁字交叉口改造（跨越河道）工程的优势，可供类似工程参考。

钢桁梁桥；密布横梁；限制梁高设计；丁字交叉口改造

1　工程概况

该工程为文江大桥，位于江苏省泰兴市如泰运河上，为新建城市主干道文江北路的重要部分，是泰兴市区东部新建的过河通道。该工程起点与现状大庆路平交，并要求对平交口按规划进行改造，往北跨越如泰运河。桥梁跨径组合为25.49 m+ 40 m+25.49 m，其中主桥为40 m钢桁梁桥，引桥为简支小箱梁结构，见图1、图2。

该桥的设计，不仅满足了桥下通航净空与交叉口最大纵坡限值的要求，也极大限度地减少了对既有交叉口的改造，同时跨越桥梁也拥有了一定的景观性。

2　主要技术标准

（1）道路等级：主干路。

（2）设计行车速度：50 km/h。

（3）荷载标准：汽车荷载：城-A级；人群荷载：按照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）取值。

（4）通航要求：按六级航道标准控制，通航净高不小于4.5 m，净宽不小于22 m。

（5）抗震要求：抗震设防烈度：6度，设计基本地震动加速度峰值：0.05 g；抗震措施：7度。

（6）桥梁横断面布置：

0.3m（人行道栏杆）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道栏杆）+6 m（非机动车道）+2.0 m（机非分隔带）+15.0 m（机动车道）+2.0 m（机非分隔带）+6 m（非机动车道）+0.3 m（人行道栏杆）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道栏杆）=42.0 m。

（7）纵坡布置：2.5%，竖曲线半径2 000 m，按照主桥跨中对称布置。

（8）桥梁设计基准期：100 a。

3　桥梁结构设计

3.1桥梁总体布置

该桥跨径组合为25.49 m+40 m+25.49 m，总长为90.98 m，桥梁宽度为42 m。桥梁与河道斜交，斜交角为4.215°，采用“斜桥正做”方式进行布置。主桥为下承式钢桁梁桥，计算跨径为40 m；两侧引桥各为25 m的简支小箱梁结构。在保证通航净空的前提下，该桥型的选择使得桥梁结构高度得到有效降低，从而减少交叉口改造影响。

3.2主桥上部结构

主桥上部结构采用下承式钢桁梁，计算跨径为40 m，桁高6.5 m。横向采用四榀式桁架，行车道两榀主桁架设置在机非分隔带内，主桁中心距为17 m；两榀副桁架设置在人行道与非机动车道之间，副桁架与主桁架中心距为7.59 m。机动车道桥面系采用倒T横梁、倒T型纵向加劲肋、三道倒T纵梁组成的正交异性板。

主副桁架均采用三角形桁架，节间长度按5m设计。上弦杆采用500 mm×570 mm的箱型截面，下弦杆采用500 mm×680 mm的箱型截面，腹杆采用470 mm×570 mm×12 mm×25 mm的工字型截面，倾角为51.91°。为使整体桥梁外形美观，端部斜腹杆选择与弦杆同宽的箱型截面。

机动车道横梁为了适应横坡的变化，选用变高倒T型截面，梁高644～765 mm；非机动车道横梁亦选用变高倒T型截面，梁高540～644 mm；人行道横梁按悬臂梁设计，根部梁高为540 mm。顺桥向横梁间距均为2.5 m，横梁与下弦杆全熔透焊接。

图1　桥型总体布置图（单位：m）

图2　标准横断面图（单位：m）

机动车道桥面板选用16 mm厚的Q345D钢板，与下弦杆全熔透焊接；桥面系设置三道倒T纵梁；纵向加劲肋选用倒T截面，横桥向间距按300 mm控制。由于横梁为主要受力构件，纵梁、纵向加劲肋遇横梁断开，并与横梁全熔透焊接，尽可能避免纵肋底缘焊缝开裂[2]。

3.3引桥上部结构

引桥采用25 m跨径小箱梁结构，上部结构分三幅设计。人行道与非机动车道按一幅设计，由4片小箱梁组成；机动车道按一幅设计，由5片小箱梁组成。

3.4下部结构及基础

主墩采用高桩承台柱式墩，以降低施工难度，同时起到保护墩柱、桩基防撞的作用。盖梁设计为钢筋混凝土构件，高低盖梁结构；墩柱直径为1.5 m，桩基直径为1.2 m，选择中砂层作为桩尖持力层。

桥台采用扶壁式桥台，梅花桩布置。桩基直径为1.0 m，选择细砂作为桩尖持力层。台后搭板长8 m。

4　关键技术问题分析

4.1限制梁高设计

桥位附近为现状沿河丁字交叉口，距离现状如泰运河航道中心线仅约107 m，桥梁设计需满足六级通航净空的要求。

另外，附近民用商铺建筑较多，且建筑首层地面仅高出现状道路路面约10～20 cm。因此，本工程总体方案，需对交叉口改造进行合理设计，在满足道路线形及交叉口交通安全的基础上，减少交叉口改造的工程量，将交叉口改造对周边商铺的影响降到最低，减少工程实施的社会影响。

经过综合比选，本桥采用下承式钢桁梁桥方案，同时利用密布横梁体系降低横梁梁高[1]。根据计算比较及分析，机动车道、非机动车道、人行道横梁梁高均设计较矮，由此保证了主桥结构底缘线距离通航净空控制边线约20 cm的安全高度。

另外，钢桁梁在工厂加工制造，与桥梁下部结构同步实施，施工进度大大加快。本桥下部结构施工完毕后，利用浮吊将工厂预制好的单片桁架吊装到位，之后拼装焊接横梁、桥面板、横撑等构件，完成主桥主体结构施工。该施工方案对河道通航影响较小。

4.2总体结构计算分析

整体计算采用MIDAS CIVIL 2013软件计算，全桥采用梁、薄板单元，建立三维空间有限元模型。其中主副桁架、端横梁、内横梁、三道纵梁均采用空间梁单元模拟，桥面板采用薄板单元模拟。全桥共有1 481个节点，2 044个单元，其中梁单元828个，薄板单元1 216个。荷载考虑了自重、二期恒载、汽车荷载、人群荷载、梯度温度、整体温差、基础变位。全桥计算模型见图3。

图3　全桥三维模型

主要计算结果如下：

（1）主、副桁架上弦杆最大压应力为158 MPa，不出现拉应力；主桁架下弦杆最大拉应力为72 MPa，最大压应力为78 MPa；副桁架下弦杆最大拉应力为102 MPa，最大压应力为80 MPa。

（2）腹杆最大拉应力为115 MPa，最大压应力为139 MPa。

（3）机动车道内横梁最大拉应力为122 MPa，最大压应力为154 MPa；三道纵梁最大拉应力为97 MPa，最大压应力为31 MPa；桥面板最大拉应力为87 MPa，最大应力幅为31 MPa，满足要求。机动车道内横梁在活载作用下竖向挠度为14.5 mm＜L/600=17 000/600=28.3 mm，满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）的要求，但需设置横向预拱度。

（4）非机动车道内横梁最大拉应力为78 MPa，最大压应力为97 MPa；人行道横梁最大拉应力为59 MPa，最大压应力为101 MPa；端横梁最大拉应力为128 MPa，最大压应力为162 MPa。

（5）本桥一阶失稳模态为上弦杆顺桥向竖弯，临界荷载特征值系数为20.3，满足使用要求。

以上结果表明，本钢桁架桥各项指标均满足规范要求，且具有一定的安全储备。

4.3桥面系三道纵梁对整体受力的作用

设计过程中分析发现，由于横梁较矮，桥面较宽，承受较大荷载，因此需要加设桥面系纵梁，以增强横梁之间的受力协同性，保证结构的安全与受力合理[3]。现将是否设置横梁进行分别建模计算，并进行比较，见表1。

表1　纵梁设置各相关构件应力比较表

通过表1比较可知，对于桥面较宽的钢结构桥面系，设置适当的纵梁，有利于增强横梁的受力协同性，使得横梁受力更为均匀，可以有效达到通过横梁传递桥面系荷载的作用；且对端横梁受力影响较小。

5　结　语

（1）本文针对沿河丁字交叉口改造（跨越河道）工程，提出利用密布横梁的钢桁梁桥方案。该方案拥有以下优势：保证桥下通航净空的前提下，交叉口纵断面设计能够较好满足行车安全的要求；有效减少对既有交叉口的改造工程量，从而降低工程实施对既有道路两侧居民和商户的影响；钢桁梁桥本身具有较好的景观性；施工进度快，对河道通航影响小。

（2）对于矮横梁正交异性板体系，通过设置一定数量的桥面系纵梁，可以有效增强横梁受力的协同性，从而使横梁受力更为均匀，保证桥面系荷载传递的有效性。

[1]聂建国.钢—混凝土组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]项海帆,等.高等桥梁结构理论（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]张敏,叶梅新,张晔芝.密布横梁正交异性板整体桥面受力行为[J].中国铁道科学,2010(31):28-33.

U448.21+1

B

1009-7716（2016）03-0065-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.019

2015-11-06

金叔阳（1986-），男，浙江义乌人，工程师，从事桥梁设计工作。