钢桁架梁路面体系在盖挖车站中的应用分析

尹筱琴（中国铁路设计集团有限公司，广东深圳，518000）

1 工程概况

沈阳地铁淮河街站为九、十号线同期实施换乘车站，九号线车站与十号线形成L型换乘。西南角为城市街心花园-淮河园，站点周边基本为居民区。崇山西路为沈阳市一环道路，双向十车道；淮河街双向六车道。十号线车站为地下双层三跨矩形框架结构，车站主体采用明挖法施工。九号线车站为地下三层三跨矩形框架结构，车站总长约165m，标准段宽度22.7m，顶板覆土约4.6m，底板埋深约24.8 m，基坑宽22.8～26.8 m，车站主体采用盖挖顺做法施工。

受场地周边交通条件限制，施工期间，淮河街南北向须保持路面车辆正常通行，所以，主体基坑第一道钢支撑采用钢桁架梁与150mm厚C30混凝土板的组合结构。钢桁架梁采用横向间距0.8m的搭设方式（详见图1），搭设总宽度11.72m，跨度28m，选用的钢桁架梁高度为1.51m。

图1 钢桁架梁现场照片

本文主要通过Midas Civil软件建模分析，对车辆通行过程中钢桁架梁的强度和稳定性进行验算。

2 计算模型

钢桁架梁整体计算模型详见图2，局部大样详见图3。

图2 整体计算模型

图3 钢桁架梁一榀大样（局部）

（1） 钢桁架梁桁架部分按梁单元模拟。单元属性设定为16Mn钢。将钢桁架梁桁架结构适当简化后，加强三角主弦杆采用槽钢［16b、主斜杆采用槽钢［8、竖杆采用∟50×5；端构件主弦杆采用槽钢［16a、主斜杆采用槽钢［10；竖杆采用［8；榀内角钢均采用∟50×5；榀间连杆采用24钢管模拟[1]。

（2） 桥面板按板单元（厚板）模拟。单元属性设定为C30混凝土，板厚15cm。

（3） 桥面板与钢桁架梁之间建立1cm高桁架单元（无重量）。桁架单元用于将钢桁架梁梁单元与桥面板板单元连接。

（4）根据钢桁架梁各构件间铰接刚接实际情况设定节点固结或相应释放梁端约束。

（5）钢桁架梁底端边缘节点为简支约束。

3 荷载与荷载组合

因该特种钢桁架梁各项性能指标均在现行钢桥设计规范编订之前，因此，本文验算时仍以《钢结构设计规范》(GB50017-2003)[1]、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）[2]为比对依据。

（1） 荷载组合。本荷载组合根据《钢结构设计规范》，其3.1.4条规定：“按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合”。

荷载组合：1.2×自重+1.2×恒荷载+1.4×汽车荷载+1.4×温度。

（2）结构重要性系数。本钢桁架梁为临时性结构，结构重要性系数取1.0。

（3） 汽车荷载。以公路-I级车道荷载计算，根据实际道路通行条件，在钢桁架梁中线一侧，三车道偏心加载。

（4） 汽车荷载冲击系数。采用MIDAS CIVIL计算结构基频为8.1，计算得汽车冲击系数0.354。

4 承载能力分析

在三车道偏载的荷载组合作用下：上弦最大轴力组合值为552kN(压)，下弦最大轴力组合值为572kN(拉)；斜杆最大轴力为206kN(压)；详见图4。

图4 荷载组合下杆件轴力

对比钢桁架梁手册中杆件承载力数值：

上弦杆 552kN(压)≤1420/2=710kN；下弦杆572kN(拉)≤1400/2=700kN；斜杆 206kN(压)≤420/2=210，均满足要求。

对比《钢结构设计规范》，查规范3.4.1中Q345钢抗拉、抗压强度设计值为310MPa，上下弦杆[16b截面面积为2 510mm2，f×A=778.1kN；斜杆[8截面面积为1 020mm2，f×A=316.2kN。同样均满足要求。

5 稳定性分析

（1） 横向刚度。根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》1.2.11规定，钢结构桥梁跨长不宜超过主梁中距20倍。钢桁架梁中距0.8m，0.8×20=16m＞11.72m，横向刚度满足要求。

（2） 竖向挠度。

（a） 根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》1.1.6规定，桥梁容许挠度值为L/800=28000/800=35mm。本工程中，由自重、铺装恒载引起的最大竖向挠度值为31mm，由三车道汽车偏载引起的最大竖向挠度值为55mm，已不满足规范要求。

（b） 但《钢结构设计规范》3.5虽然对钢桥变形容许值没有明确规定，3.5.1中条文“当有实践经验或有特殊要求时，可根据不影响正常使用和观感的原则对附录A的规定进行适当地调整。”依据《钢结构设计规范》，则钢桁架梁竖向挠度是否符合要求尚须进一步研究。

（c）预拱度的计算方法《钢结构设计规范》与《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》相同，均为“恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值”。本工程计算后得预拱度为31+55/2=58.5mm。

（3）局部稳定性。稳定性根据《钢结构设计规范》第5章计算，其计算数据采用荷载组合数据，计算结果与Q345钢的设计参数对比。

在车道面内，钢桁架梁刚性节点处虽存在弯矩，其杆件内弯矩最大值仅为8.5kN·m，弯矩很小（详见图5），验算稳定性时近似按轴心受压构件计算。

图5 荷载组合下杆件弯矩

（a） 上下弦杆。弦杆回转半径=6.1cm，再由规范5.3.2得出：

b类截面，查表得φ=0.901

弦杆稳定性满足要求。

（b）主要斜杆。主要斜杆回转半径=3.15cm。

b类截面，查表得φ=0.905

主要斜杆稳定性满足要求。

（4） 构造要求。《钢结构设计规范》5.3.8中要求容许长细比为150，钢桁架梁各杆件均满足要求。

6 结论

在三车道偏心加载情况下：

（1） 根据《钢结构设计规范》分析，钢桁架梁承载能力、稳定性均满足要求。

（2） 根据钢桁架梁主桁结构的材质、断面特性和承载力分析，钢桁架梁上下弦杆承载能力满足要求，斜杆承载力虽满足要求，但安全贮备不大。

（3） 根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》分析，钢桁架梁承载能力、横向刚度满足要求，但竖向挠度不满足要求。

7 建议

（1）本地铁车站盖挖施工方案选用钢桁架梁横向搭设，其承载能力满足要求。但应适当加强钢桁架梁斜杆强度，选用［12或更高规格斜杆。

（2）钢桁架梁使用过程中产生较大的竖向挠度变形，应做好适时监测和检查，确保各杆件之间连接稳固。同时，可对路面通行车辆提出适当的限载要求。

（3） 在钢桁架梁安装时，设置58.5mm的预拱度。