敞开式钢管—混凝土桁架组合梁桥设计

吴 贵 贤

(甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

敞开式钢管混凝土结构是一种由组合结构发展而来，具有较大的横向抗弯刚度和抗扭刚度，为减轻桥梁的自重，提高结构的跨越能力，同时满足结构的使用性能，用桁架结构代替组合结构，不仅增大结构的刚度，同时提高桥梁建筑面积的利用率。

甘肃在建某二级公路跨越国家级文物保护明长城，在满足文物部门相关要求的前提下，尽量降低路基高度，以较少占地及引道路基填方工程量、节约工程造价，对跨长城部分采用单跨70 m敞开式钢管—混凝土桁架组合梁桥跨越。该结构的设计与大多数钢桁架桥设计相比较具有以下优点：1)不设置竖杆，上弦杆之间不设置横向联结系；2)节约成本，降低造价；3)减轻自重，有效改善各构件的受力，提高该桥总体受力性能；4)不设横向联结系能开阔视野，提高行车舒适度。

采用桥梁专业工程软件MIDAS/CIVIL建立有限元模型，全桥建立共392个节点和599个单元，上弦杆采用组合截面里的钢管形—混凝土截面模拟，下弦杆采用组合截面里的钢箱形—混凝土截面模拟，端部腹杆和中部腹杆采用管型截面模拟，有限元模型如图1所示。

1 桥梁方案简介

主桥上部为钢桁梁与预制混凝土桥面板的组合结构，主桁架采用华伦式三角形腹杆体系，上弦杆为钢管混凝土结构，腹杆为钢管结构，下弦杆为矩形钢管混凝土结构；桥面系由端横梁、中横梁及预制桥面板组成。

主桁桁高5 m，上弦杆钢管外径1 m，根据受力特点，在距上弦杆端部15.5 m处进行变截面设计，保持钢管外径不变，进行壁厚的变化设计，端部壁厚18 mm，中部壁厚24 mm；下弦杆为正方形钢管混凝土，边长900 mm，变截面设计与上弦杆同理，变截面位置距端部21.5 m处，端部壁厚26 mm，中部30 mm；腹杆采用焊接钢管，根据受力特点，端部腹杆采用φ700×22 mm，其余采用φ630×20 mm。

桥型布置图如图2，图3所示。

2 桁架承载力分析

根据钢结构及桥梁相关规范对钢管混凝土结构和横梁进行承载能力极限状态验算。

表1 上弦杆承载力计算结果表 kN

表2 下弦杆承载力计算结果表

上下弦杆均满足规范要求。

根据计算结果，腹杆采用Q390E钢管，在正常使用极限状态下，端部腹杆F1最大压应力为-237.2 MPa，其余腹杆最大压应力为178.4 MPa，腹杆最大拉应力为199.1 MPa，均小于钢材强度应力设计值290 MPa，满足要求。

3 横梁及桥面板承载力验算

承载能力极限状态采用基本组合，基本组合=1.1×(1.2恒载+1.4×汽车荷载(计冲击系数)+0.75×1.4温度荷载)。正常使用极限状态采用频遇作用组合、准永久作用组合，频遇组合=恒载+0.7汽车荷载(不计冲击系数)+0.8温度荷载，准永久组合=恒载+0.4×汽车荷载(不计冲击系数)+0.8温度荷载。运用MIDAS/CIVIL建立有限元模型计算得到横梁和桥面板在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的受力，应力包络如图4～图6所示。

由应力图可见，钢梁上缘压应力最大182.9 MPa，小于fd=295 MPa(Q390钢)，下缘拉应力最大250.2 MPa，小于fd=280 MPa(Q390钢)；混凝土上缘压应力最大18.3 MPa，小于C50混凝土fcd=22.4 MPa，最大拉应力1.5 MPa；下缘最大压应力0.8 MPa，最大拉应力2.7 MPa，结果均在材料设计强度范围之内，满足要求。

4 抗剪承载力和刚度验算

组合梁截面的剪力全部由钢梁腹板承担，不考虑混凝土板的抗剪作用。

由图7可知，基本效应组合最大剪力值γ0V=1 440.74 kN。抗剪承载力Vu=fvd×Aw=1 683 kN>γ0Vd，满足规范要求。取挠度长期增长系数ηθ=1.425，由图8可知，汽车车道频遇值挠度并考虑荷载长期效应影响为1.425×9.8=14 mm

5 平面桁架稳定性分析

平面桁架稳定是此类桥梁主要的控制因素，国内有关专家对敞开式桁架梁桥的稳定分析已有大量的研究成果；李国豪教授等编著的《桥梁结构稳定与振动》一书中提出了近似的计算方法。

经计算，该桥的半框架弹性常数大于保证稳定所需的最小值，半框架稳定满足结构设计要求。

经有限元MIDAS模型计算，平面桁架稳定性分析前5阶模态如图9～图13所示。

表3 稳定性分析结果表

阶数稳定安全系数施工阶段拆除临时支撑时成桥阶段117.6614.27217.7914.34317.8115.79417.9715.90525.4220.79

从表3可以看出，该桁架梁桥屈曲安全系数均大于4，满足要求。

根据对该桁架组合梁桥自振的计算分析，可以得出以下结论：

1)进行稳定性分析敞开式钢管—混凝土桁架组合梁桥的振动模态中包括横向振动、纵向振动、竖向振动、扭转等现象。

2)模态分析结果表明各阶频率的相对差值小，桥梁的振动频率出现集聚现象。

3)该类桥梁结构的振型为横向振动和纵向振动，振动时先横向后纵向表明横向刚度小于其他方向的刚度，三阶为整体扭转，表明桁架梁的扭转刚度大于纵向刚度，四阶为竖向振动，表明竖向刚度大于扭转刚度，根据振型的前后顺序，该类桥梁的抗震稳定性较差，设计中应当重点考虑稳定性分析。

6 结语

通过本文的研究，得出以下结论：

1)对该类桥梁在不同荷载工况下的分析，通过上部桁架部分的计算可知：桁架下弦杆主要承受轴向拉力、剪力和弯矩的作用，其中跨中弯矩和拉力最大，在实际计算时，重点应考虑钢管混凝土的套箍效应。

2)通过对全桥稳定性分析可知：敞开式桁架梁桥横桥向稳定性较差，在设计中需增大上弦杆的截面刚度，使桥梁在成桥阶段稳定系数均大于4；由于该桥跨径较大，通过采取增大上弦杆及腹杆直径满足其稳定性要求，同时设计时应严格控制桥梁高跨比和宽跨比，防止该类桥梁的横向失稳。

由于本桥桥面建筑高度低，采用的结构形式简单、新颖，且目前在该地区公路上几乎无相关类型的桥梁，因此，对该桥梁结构从刚节点的受力与构造、抗震性能研究、整体性能力学特征分析等方面还需做相关的研究论证，为其今后的成熟应用提供相应的技术支撑。