城市环境钢桁架桥梁的设计要点分析

2018-03-02冯绍海

城市道桥与防洪 2018年1期

曹峰，冯绍海

（九江市城市规划市政设计院，江西九江 332000）

0 引言

随着我国基础设施的建设推进，建筑材料的使用类型越来越多，同时我国年均钢产量也在同步上升，建设钢结构桥梁成为可能，相对于传统的混凝土桥梁，其经济性能也更加合理。由于钢材可以加工成为多种样式的构件，因此钢结构桥梁往往具有轻型美观、结构型式多样、使用性能好等优点，特别是钢材能够显著地克服混凝土材料抗裂性能差的问题，具有同等强度的抗压和抗拉性能，因此钢材的应用更为广阔，同时结构的跨域能力更大。

钢桁架桥是钢桥中的主要型式之一，通过若干短小构件组拼连接按照桁架受轴向力的原理形成整体，这样能够充分发挥每根构件的受力性能，同时提高了整体桥梁的跨越能力，因此钢桁架桥梁具有承载能力强、施工建设效率高、耐久性能好、跨越能力强等优点。此外，钢桥结构所需要的养护和管理相对于混凝土桥梁也更低，因此在我国近年来得到了广泛的应用[1,2]。

论文详细分析城市环境下的钢桁架桥梁，首先分析了钢桁架桥梁自身的结构特点，其次研究了城市环境的钢桁架桥梁设计要点和方法，最后通过某一城市钢桁架桥梁的设计案例，分析了钢桁架桥梁的设计方法和过程，为类似城市环境钢桁架桥梁的设计提供参考和方法。

1 钢桁架桥的技术特点

钢桁架桥梁按照桁架各杆件承受轴向力为标准进行构件的组拼形成整体桁架结构，充分利用了钢材同等强度的受拉和受压性能，同时能够最大程度建设材料的应用。总结而言，钢桁架桥梁具有如下技术优势。

（1）结构建筑高度低。钢桁架的主桁由受拉杆和受压杆形成，对于截面的抗弯刚度要求转化为拉杆和压杆的轴向力，因此其建筑高度主要由横梁控制，在桥面宽度不大的情况下，横梁也可以做得很低，因此整体桥梁的建筑高度很低，特别适用于在城市环境建设的具有高度限制的桥梁。

（2）施工建造效率高。钢桁架桥梁完全由钢构件形成，而各类钢构件又可以在工厂进行制作，通过工厂预制现场拼装连接的方式，可以最大程度提高建设效率，这对于城市环境的桥梁建设来说，具有很好的应用前景。因为城区建设桥梁往往需要最大程度建设对现场环境的影响，包括对交通干扰、对市民生活作息干扰和对周边环境污染等，而预制装配式的快速建造工艺可以最大程度降低这种影响。

（3）结构耐久性能好。目前钢结构的防腐技术在不断提高，这对于城市环境下的桥梁结构耐久性具有重要意义，特别是现代化城市发展下城市的“雾霾”气候，使得诸多基础设施完全暴露在环境的侵蚀中，通过钢结构的防腐技术可以有效提高结构的耐久性。

（4）结构的承载性能强。钢桁架桥梁相对于传统的混凝土桥梁，由于钢材的高强度和高延性，使得突发荷载作用下结构的安全性能够得到保障，例如突发地震荷载以及超重车辆作用，由于钢材的延性强，在发生结构失效时会有明显的结构变形，这对于及时预警结构状态降低不必要损失具有重要意义。

然而，钢桁架桥梁除了具有上述技术优势外，还存在钢结构典型的疲劳和压杆稳定问题，具体体现在以下两个方面。

第一，连接构造疲劳问题突出。目前的钢构件连接仍然以焊接为主要手段，焊接过程中由于加工工艺问题或者材料本身存在的随机缺陷，再加上焊缝加工质量，会存在焊接部位具有应力集中以及初始缺陷等问题，钢桁架的连接构件在使用过程中受到外界荷载的往复作用，当荷载较为显著时就会出现疲劳损伤问题，而疲劳断裂往往是脆性破坏，带来的影响非常显著。

第二，钢桁架构件的受压屈曲问题。钢构件受压会呈现整体和局部屈曲问题，这极大地影响了钢构件的使用。钢桁架桥梁中，由于存在诸多受压的杆件，这些杆件虽然长度不大，但仍然存在受压屈曲的风险，一旦发生某些杆件的受压屈曲破坏，就会使得节点应力集中非常明显，进而产生更进一步的结构破坏问题。

2 城市钢桁架桥梁的设计要点分析

钢桁架由主桁架、连接系、桥面系三个主要部分形成，主桁架是结构受力的主体，复杂将桥面荷载扩散并传递到桥梁支座和下部结构上，连接系则是对横向各片主桁连接形成整体，保证结构的受力安全和稳定，桥面系则是承担桥面荷载的重要部分。根据钢桁架桥梁的结构特征，其设计的主要难点在于：主桁架的设计构造、连接系的设置策略、桥面系的型式选用三个方面[3]。

2.1 主桁架的设计构造

钢桁架桥梁的会存在疲劳问题，而疲劳病害的最容易出现的就是主桁架的节点构造上：一方面，主桁架受力非常显著，与之连接的构件受力也很大，这使得主桁架的相关节点在高应力变幅作用下，很容易出现疲劳问题；另一方面，主桁架的制作加工难度大，其构造线形、主桁的平面位置精确性和制孔与焊接尺寸等，都需要在加工过程中进行精确考虑。不同主桁的结构型式见图1。

主桁的加工制作非常关键，需要重点控制的是焊接缺陷并对焊接变形进行及时矫正，以保障主桁的加工质量。对于焊接缺陷如裂纹、层状撕裂、夹渣、气孔等问题，可以选择科学的坡口型式及尺寸、严格控制接头质量、控制钢板下料尺寸和坡口角度、进行焊前预热及选择科学的焊接工艺等。对于焊接过程中出现的变形，如纵横向收缩变形、弯曲变形、扭曲变形等，可以通过火焰矫正的方式进行控制和补偿。除了焊接过程中的控制，还需要对钢桁架节点连接处进行特别的焊接处理。

图1 不同主桁结构型式

2.2 连接系的设置策略

横向连接系是作为承载桥面，并将桥面荷载传递为主桁架的重要传力构造，部分桁架桥梁也将横向联系与主桁架一起作为结构受力的主体，但大部分情况下横向联系主要是作为传力构件进行设计构造的，因此也主要承担桥面作用下的荷载，在主桁架的约束作用下，横向是两边弹性支撑的受力体系，且承担的结构荷载仅仅是横梁之间的桥面荷载作用，因此横梁的高度一般也不大，这使得整体桁架梁的建筑高度较低。

然而，横向联系除了作为重要传力构件之外，还对主桁架具有显著的面内和面外约束，进而约束杆件的面外变形，提高其稳定性，降低了面外屈曲的概率。因此，横向联系的设计需要考虑：（1）设置很密可以有效约束主桁的面外屈曲失效，同时降低每一片主桁架的承受荷载，进而降低结构的构造尺寸，但会显著增加成本；（2）设置很稀疏，则横梁为了承担桥面荷载，其结构尺寸较大，同时对主桁的面外约束有限。因此，需要综合上述因素进行横向联系的构造设计。

2.3 桥面板的结构型式选用

桥面板及铺装结构是直接提供交通通行的平台，由于其暴露于环境中并受车辆荷载直接作用，因此其工作状态直接影响到桥梁主体结构的耐久性和行车舒适性。混凝土桥面板和正交异性钢桥面板是目前桥梁工程应用的两种桥面板型式，混凝土桥面板能够很好地适应沥青混凝土桥面铺装或者水泥铺装，因此其行车效果好，但混凝土容重较大，影响了钢桁梁桥的跨越能力；钢桥面板刚度大且轻型，能够很好地提高桥梁的跨越能力，但是正交异性钢桥面板与桥面铺装连接性不好，很容易引发铺装层开裂等问题，影响桥面板的耐久使用。

钢混组合桥面板近年来受到关注，也可以很方便地在钢桁架桥梁上应用。通过底部在钢桁梁上缘设置焊钉或者开孔板连接件进行连接，形成组合型式桥面板结构。钢混组合桥面板兼顾了混凝土桥面板和正交异性桥面板的优势：首先。增加了桥面板的刚度和强度，通过钢板包裹混凝土提高桥面板的整体刚度，还能充分利用混凝土抗压性能和钢材抗拉性能，提高桥面板整体承载力；其次，相对于混凝土桥面板降低了桥面板的容重，可以实现更大跨越，但同时相对于正交异性钢桥面板可能和沥青铺装更好的结合，提高了行车平稳性和桥面板耐久性；最后，钢混组合桥面板中钢板还能作为模板直接提供混凝土的浇筑平台，免去模板材料和支撑架设等问题，实现快速吊装施工。

需要注意的是，采用钢混组合桥面板对于跨径不大的钢桁桥梁是较好的选择，当跨径很大时钢混组合桥面板就会限制结构的跨越能力，存在很大的不经济性。

3 城市钢桁架桥梁的设计案例分析

3.1 概况

某城市公路桥梁需要设计成钢桁架桥梁型式，通航净空90 m×7 m，桥梁主跨97 m。综合分析选用97 m的下承式简支钢桁架桥梁。

3.2 结构设计

主桁架选择带竖杆的华伦式三角形护肝体系，节间长度5.35 m，主桁架的高度设计为8 m，结构高跨比1/12，桥面宽12 m，主桁宽8.6 m，宽跨比1/11.2。主桁上下杆均采用箱型截面，腹杆采用焊接H型截面。结构横梁采用纵横梁结构体系，设计横梁高度为8.7 m，每2 m设置一道。节点构造采用高强螺栓进行连接。桥面系采用钢混组合桥面板，通过纵横梁顶部设置剪力钉与桥面混凝土连接，并在混凝土桥面板上设置沥青混凝土铺装层。通过建立钢桁架梁桥的有限元分析模型，分析结构整体安全性，结构的整体稳定系数计算显示达到25，失稳模态为主桁架上弦杆件平面外失稳，满足了结构设计要求，见图2。