开敞式钢桁梁桥的设计

张 强，李 京，马晓刚，孔令熙

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

1 概述

南六公路此次改建范围北起S32，南至沪南公路，全长5.9 km，红线宽度45 m。道路等级为一级公路，桥梁荷载等级为公路-Ⅰ级。其中跨越惠新港节点采用单跨65 m的下承式简支钢桁梁桥，双幅布置，单幅桥宽20 m。

2 结构设计

2.1 桥型方案

惠新港为规划Ⅵ级航道，河口宽50 m，通航净宽30 m，梁底控制标高不小于7.8 m。根据航道部门的要求，桥梁要求一跨过河，水中不设墩。

由于规划航道的桥下净空要求较大，为使桥梁整体规模适中、造价经济，故从优化桥梁结构角度出发，要求惠新港桥结构高度尽量小。因此该节点推荐采用单跨65 m的简支钢桁梁结构，可有效减缓桥梁两端接坡的坡度，满足非机动车骑行；同时确保交叉口方案合理，实现交通出行便捷性与安全性（见图1）。

桁架桥在桥梁结构中的应用十分广泛，是由多个平面钢桁架连接形成的整体空腹式空间结构。与实腹梁相比，具有刚度大、通透性好、用钢量省、制造以及拼装方便等优点。当城市桥梁由于净空受限时，可采用下承式结构，有效降低梁高。

图1 惠新港桥效果图

钢桁架立面刚劲有力，为使行车视野开阔，在结构设计上取消了上平纵联，另外采用了造型美观的华伦桁架，整体景观性较好。该工程设计力求将桁架桥这一传统桥型以崭新的姿态呈现在人们面前，在继承中体现创新，使得造型更生动现代，更加适合在城市桥梁中的使用。

2.2 结构设计

主桥上部结构采用65 m下承式简支钢桁架桥，主桁为两榀华伦桁架，主桁高度为6.4 m，高跨比约为1/10，两榀桁架中心间距为16 m（见图2）。

主桁架中，上、下弦杆均采用箱形结构，上弦杆截面高度0.8 m，下弦杆截面高度1.3 m。节间长度为6.4 m，主桁架下弦杆间每3.2 m设置一道横梁，横梁高度1.3 m，下弦杆底板水平，横梁下翼缘采用2%单向横坡（见图3）。

图2 惠新港主桥总体布置图（单位：mm）

图3 惠新港主桥（左幅）断面图（单位：mm）

桥面系采用正交异性钢桥面板，顶板设2.0%单向横坡。钢桥面板顶板厚14 mm，车行道范围采用U形加劲肋，U形加劲肋标准间距为600 mm。人行道处采用板肋。上、下弦杆，端横梁及最外侧斜腹杆采用钢箱截面，其余腹杆、中横梁采用工字截面。桁架节点采用全焊接整体节点方案，钢材均采用Q345qD。

钢桁梁桥采用分段吊装的方案，其中主桁在工厂分节段制作，运输至现场，搭设临时墩进行吊装施工。临时墩的设置需满足水务、航道部门的要求，并结合现场实际吊装能力综合确定。

3 结构分析

3.1 静力分析

采用midas Civil建立单幅桥空间计算模型，并根据现行公路钢桥设计规范进行验算（见图4～图10）。

图4 主桥计算模型图

图5 基本组合下上弦杆最大应力图（单位：MPa）

图6 基本组合下下弦杆上缘应力图（单位：MPa）

图7 基本组合下下弦杆下缘应力图（单位：MPa）

图8 基本组合下中腹杆最大应力图（单位：MPa）

图9 基本组合下横梁上缘应力图（单位：MPa）

图10 基本组合下横梁下缘应力图（单位：MPa）

基本组合作用下，结构杆件最大应力为184.8MPa，1.1×184.8 MPa＜270 MPa，满足规范要求。

活载作用下结构最大竖向挠度为29.4 mm，29.4 mm＜L/500=130 mm，结构刚度满足规范要求（见图 11、图 12）。

图11 恒载竖向挠度（单位：mm）

图12 活载竖向挠度（单位：mm）

3.2 稳定性分析

桁架桥分为整体稳定和局部稳定，而整体失稳主要表现为面内失稳和面外失稳。该桥为开敞式桁架结构，面外的侧倾失稳问题需引起足够重视。弹性稳定系数采用midas空间模型进行屈曲分析，同时局部稳定不应先于整体稳定发生，按照最不利作用得到结果汇总见表1。

表1 临界荷载系数

桁架前三阶均为面外失稳，第一阶面外稳定系数为18.7，说明该桥型的面内稳定性较好，同时局部稳定不先于整体稳定发生，整体稳定系数满足不小于4的要求。

同时桁架桥的受压杆件失稳问题也不容忽视，根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）进行验算，上弦杆及腹杆的稳定均满足要求。

3.3 抗震分析

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）及《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011），该工程的抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g，抗震设防分类为丙类，抗震设计方法采用A类，场地类型为Ⅳ类，场地特征周期为0.75 s，桥梁结构阻尼比取0.02。采用midas Civil建立钢桁架桥抗震分析计算模型，如图13所示。

图13 抗震计算模型

主梁、盖梁、桥墩均采用梁单元模拟。墩顶和盖梁采用弹性连接中的刚性模拟，承台近似按刚体模拟，墩底与承台中心同样采用弹性连接中的刚性模拟。二期恒载以均布线质量形式施加在梁单元上。

对单桩进行内力分析，采用具有6个自由度的弹簧对其进行模拟，刚度系数由m法确定，扭转刚度取较大值2.0×106，进行E2地震作用分析时，模型中单元与连接均为弹性。

钢桁架梁桥采用隔震设计方案，主桥支座采用铅芯隔震橡胶支座，引桥小箱梁采用板式橡胶支座，并在横梁处设置铅芯隔震橡胶支座。

分析结果见表2～表4。

表2 E2地震作用下桥墩验算 kN·m

表3 E2地震作用下桩基验算 kN·m

表4 地震作用下支座水平位移验算 mm

设计地震作用下，各桥墩截面在纵桥向和横桥向地震输入下，桥墩截面弯矩均小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求；铅芯隔震橡胶支座及板式橡胶支座的位移能力满足墩顶变形需求；桩基抗力满足抗震性能要求。

3.4 桥面系结构参数化研究

为研究桥面系小纵梁刚度对开敞式桁架梁结构受力特性的影响，在下弦杆等间距设置两根小纵梁（只计入刚度，不计重量），以小纵梁高度为计算参数，对以下三个工况进行分析：

工况1：不设置小纵梁。工况2：设置两根小纵梁，小纵梁梁高0.6 m。工况3：设置两根小纵梁，小纵梁梁高1.3 m。

3.4.1 对端横梁的影响

从表5可以看出，随着小纵梁梁高的增大，端横梁内力在恒载作用下逐渐增大，在活载作用下逐渐减小，说明通过设置小纵梁，可增大端横梁的恒载分配比例，并小幅提高端横梁对活载的横向分配。

表5 小纵梁对端横梁受力的影响

3.4.2 对中横梁的影响

从表6可以看出，随着小纵梁高度的增大，中横梁内力在恒载作用下变化不大，在活载作用下则明显减小，说明通过设置小纵梁，可提高中横梁对活载的横向分配。

表6 小纵梁对中横梁受力的影响

设计最终采用不设置小纵梁的方案，可以满足结构的受力要求，施工方便。

4 结 语

通过对开敞式钢桁梁桥的静力、稳定性、抗震进行分析，得出以下结论：

（1）下承式简支钢桁梁桥的结构高度较低、景观性较好，可在城市桥梁中推广采用。

（2）开敞式桁梁桥结构受力较好、刚度较大、空间稳定满足要求、抗震性能好。

（3）桥面系小纵梁可增大端横梁的恒载分配比例，提高中横梁的活载横向分配，在桥面宽度较大时，可通过设置小纵梁减小横梁受力。