大跨径敞开式钢桁架桥设计

周成

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市200065）

1 工程概述

某桥桥位于江西省南部，是跨赣江的一座景观桥梁。通过业主组织的方案竞标，最终选择（70+140+140+70）m连续钢桁架桥。

本文综述该桥的桥型方案、结构总体设计，并对设计要点进行分析。

2 技术标准

该桥设计荷载为汽车荷载：城-A级（按公路-Ⅰ级复核），人群荷载按照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）相关条文取为3.5 kN／m2计算。桥轴线与航道中心线交角为17°。桥址处为Ⅲ级航道，通航净高要求：单向通航孔净空：55 m×10m；双向通航孔净穿：110 m×10 m。

3 桥型方案及比选

根据桥址处通航净空及河道泄洪要求，方案阶段，考虑该桥既属于航道桥又是景观桥的综合因素，构思了钢桁架桥、斜拉桥、自锚式悬索桥、拱桥4类桥式方案。经专家评选，考虑到上下游5km范围内已有拱桥、斜拉桥、悬索桥，同时斜拉桥、自锚式悬索桥造价也较高，最终推荐采用敞开式钢桁架桥。

4 总体布置

该桥为敞开式连续钢桁架桥，主桥全长420 m，其跨径布置为（70+140+140+70）m。桥面宽30 m，横断面布置为2×（2.5 m人行道+3.5 m非机动车道+3m机非分隔带+11 m机动车道）+0.5 m中央分隔带=40.5 m。桥梁纵坡为2.5%，竖曲线半径为2 000 m，桥面设2.0%的双向横坡。该桥桥型布置见图1所示。

图1 桥型布置图（单位∶m）

主桁主要采用双腹杆的K形桁体系，靠近中支点处梁高较高，采用菱形腹杆。主桁及横撑为杆系结构，桥面板为正交异形板。中弦杆为装饰作用，不参与受力。由于2片桁架间距较大，达到25.5 m，为增强横向联系，中横梁间距为3～4 m。桁架中墩顶部处设横撑。

5 结构型式及特点

在对4种桥型方案进行比选之后，最终采用（70+140+140+70）m四跨钢桁架桥梁方案。

主梁采用敞开式主桁与钢正交异性桥面板相结合，两片主桁仅在中支点处设置横撑相连，此类结构在国内应用较少。敞开式主桁由于没有横联与上平联，桥面视线更开阔，景观效果更好。但由于两片主桁横向联系薄弱，上弦跨中受压杆件容易失稳，从而会引起主桁整体失稳[1～4]。设计时，通过适当加大弦杆杆件截面尺寸、控制杆件应力水平，可以保证主桁稳定。

主桁下弦杆水平布置，上弦杆线型未采用常规的水平直线，而是设计成恒载弯矩图式曲线，塑造出风格独特的钢桁梁桥。同时，加高的支点处桁架也利于主桁的整体受力。桥面系采用纵、横肋加固的正交异性钢桥板面体系。

6 结构设计

6.1 主桁钢结构设计

主桥由两片主桁组成，跨径布置为（70+140+140+70）m，主桁中心距25.5 m。人行道和非机动车道设置在主桁外侧，通过悬臂梁支撑，桥面总宽40.5 m。每个桥墩处两片主桁下均设有竖向支座，纵向除中墩处设固定支座外，其余均为活动支座。主桥钢桁梁采用整体式节点设计。整体式节点具有以下优点：整体性好、现场拼接工作量小、工厂化程度高。上下弦节间为7～8 m。上弦桁高采用二次抛物线变化，中支点处桁高25 m，次支点处桁高18 m，跨中桁高8 m。主桁立面布置见图2所示。

图2 主桁杆件布置图（1/2模型）

主桁弦杆全部采用焊接箱型截面，截面内宽为1 500 mm。为便于控制杆件制造精度、降低制造难度，杆件的内宽及高度全桥不变，下弦杆件高2 400 mm，上弦高2 000 mm。腹杆全部采用箱型截面形式，外宽为1 500 mm。弦杆的最大板厚为55 mm，腹杆的最大板厚为40 mm。主桁杆件以直代曲，成桥后下弦节点均位于设计竖曲线上。通过将恒载与1/2活载位移反向叠加进设计竖曲线中，形成制造线型供工厂制造。

6.2 纵横梁体系

桥面系由主横梁、次横梁、次纵梁构成，断面均为焊接箱型钢，见图3所示。桥面系主横梁高2 400 mm，下翼缘宽700 mm，翼缘板厚30 mm，其通过高强螺栓和拼接钢板连接主桁节点。每2道主横梁之间设有1道次横梁，高2 400 mm，下翼缘宽600 mm，翼缘板厚25 mm。 次纵梁共3道，高1 200 mm，下翼缘宽400 mm。次纵梁布置在主横梁的受压区，以增加主横梁的稳定性。

6.3 桥面板

从降低恒载自重角度出发，桥面系采用无底板的钢正交异性桥面板，桥面板厚16 mm，下设“U”形纵向加劲肋，间距600 mm，“U”形肋高280 mm，板厚8 mm。为横向分块起吊方便，横向设3道小纵梁，腹板厚12 mm，高1 200 mm；底板厚16 mm，宽400 mm；腹板上端与顶板焊连。

图3 桥梁横断面图（单位∶m）

非机动车道及人行道桥面采用钢正交异性桥面板，桥面板厚14 mm，下设钢板加劲肋，间距360 mm，钢板加劲肋尺寸为140 mm×12 mm。顺桥向间隔1 500 mm左右设置一道横梁，横梁腹板厚度14 mm，底板厚16 mm，底板宽400 mm。非机动车道及人行道板设三道纵梁，纵梁顶板与主桁上翼缘焊接，腹板及底板与主桁预留板栓接，钢板加劲也采用高强螺栓拼接。

6.4 横向联结

为保证桁梁桥的整体作用，增加抗扭刚度，设置了上横撑。为克服传统钢桁架桥框架复杂、景观性差的缺点，该桥桥面以上只在中支点位置设置横撑。由于采用的带纵横梁的正交异形桥面板体系，与桁梁能够形成空间不变形结构，可承受水平荷载，故主桁之间不设下平联。

7 稳定及静力计算

建立全桥空间模型，对结构进行静力分析。主桁杆件截面高度与节长之比大于1/15，节点按刚接模拟，考虑节点刚性引起的次应力。该桥作为4跨连续敞开式钢桁架，上弦杆除在中支点外，未设横撑及平联，而中跨跨中上弦杆为受压杆件，确定其自由长度系数及计算长度，从而控制其应力水平是该桥静力计算的关键。

7.1 整体稳定计算

敞开式主桁外形简洁、轻盈、美观，在设计过程中，应特别注意全桥的整体稳定，避免整体失稳。将恒载与活载设为变量，对四种不同工况进行了屈曲分析计算（见表1所列）。

表1 各种工况下稳定分析一览表

计算结果表明：由于主桥整体刚度较大，按照上述几种加载方式，屈曲系数均大于4，都满足整体稳定要求。

7.2 关键构件稳定验算

《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中未包括敞开式主桁自由长度的计算方法，现按照《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）附录一“敞开式主桁（或主梁）的自由长度计算”计算公式：

式中：E为钢的弹性模量；I为受压弦杆毛截面对竖向轴的惯性矩；a为节间长度；δ为横向半框架上节点由于单位水平力作用所产生的一个弦杆的最大水平位移。中跨跨中上弦杆高2 000 mm，宽1 500 mm，板厚均为25 mm。计算所得面外的回转半径iy=776.6 mm，面外长细比为45，对应上弦杆的轴向受压折减系数χ为0.745。从纵向计算模型中提取跨中的上弦杆截面的弯矩、轴力，按下述公式计算如下：

主桁压杆均按总体稳定计算公式计算，拉杆计算应考虑螺栓孔对杆件截面的削弱。

8 结语

常规的带上横撑的钢桁梁桥，在城市公路桥梁上并没有得到广泛的应用，主要是由于其框架复杂、景观性差。而敞开式连续钢桁架桥能够克服此种缺点，与其他钢桁梁桥相比该桥具有以下优点：

（1）与其他敞开式钢桁架桥相比，该桥跨径较大，其主跨达140 m，而国内的敞开式钢桁架桥跨径一般在60 m左右。

（2）与传统钢桁架桥相比，该桥只有在中支点位置有横撑，削减了支点和跨中部位的弯矩值，减轻了上部结构重量，节省了上部结构工程数量，下部结构也较轻，使工程造价有所降低。

（3）该桥采用曲线式弦杆，结构美观，线条较为流畅，能较好地与周围环境相协调。

该敞开式钢桁架桥型的成功运用将为今后钢桁架桥的设计提供借鉴和参考作用。

[1]小西一郎.钢桥[M].日本：日本丸善株式会社，1976．

[2]赵廷衡.桥梁钢结构细节设计[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[3]吉伯海，傅中秋.钢桥[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].