钢管混凝土桁架桥结构设计

雒建哲

摘 要：以某钢管混凝土桁架桥为研究对象，通过建立有限元模型，对该桥进行了顶推施工阶段、成桥阶段承载力及结构的动力特性进行计算分析，得出如下结论：钢管混凝土桁架桥采用顶推施工方案能满足受力要求，且施工阶段应力储备较富余，但由于单片顶推，施工时桁架面外需增加临时支撑来保证。钢管混凝土上下弦杆，能充分发挥组合材料的优越性，受力明确，结构合理，造型美观。结论为同类桥梁的设计提供借鉴。

关键词：桁架桥 钢管混凝土 外悬臂 顶推施工 承载力 动力特性

1.工程概况

某桥为跨兰青铁路而设，采用主跨70m钢桁架简支梁一跨跨越现有兰青铁路，桥头两侧设20m跨引桥，由于该桥位于城区出入口处，桥梁下弦杆两侧悬挑2.25m人行道便于行人通行。该桥立面布置三角形腹杆桁架体系，两片桁架布置，跨径70m，桥面宽12m，桁高5m，桁高与跨径之比为1/14，一跨桁架共8个节间，每节间长度为8m。主桁上弦杆采用直径1000mm的圆形钢管混凝土断面；下弦杆采用900×900mm PBL加勁型矩形钢管混凝土断面；腹杆采用直径700mm、630mm的钢管断面。桥面板采用混凝土桥面板，纵、横向分块预制。外伸人行道悬臂梁采用T型截面，悬臂梁高200～450mm，人行道桥面板采用正交异形钢桥面板。主桁杆件均采用Q390E钢材，上下弦杆均灌注C50微膨胀混凝土。

采用单片桁架顶推施工方案（前导梁断面采用下弦钢箱断面，长17m），具体施工步骤如下：

（1）在小桩号一侧设置支架，拼装主桁（主桁分段在工厂完成预制）和前导梁；（2）安装顶推设备，两片钢桁架各自向前顶推24m，两片桁架共同达到最大悬臂状态；（3）前导梁到达对岸临时支撑；（4）两片钢桁架各自向前顶推16m，桁架前端到达对岸临时支撑；（5）继续顶推桁架到设计位置，完成顶推并拆除导梁；（6）连接横梁及人行道悬臂纵梁；（7）灌注上、下弦杆及端横梁混凝土；（8）待管内混凝土达到设计强度后，拆除临时支撑；（9）架设预制桥面板，浇筑桥面板湿接缝，安装人行道外悬臂桥面板；（10）敷设沥青混凝土，完成泄水管、防撞护栏、伸缩缝等施工。分析时，考虑施工阶段联合截面，在上一施工步骤完成钢管与管内混凝土的叠合。

2.计算模型

采用Midas Civil 2015建立桥梁计算模型，其中上、下弦杆及腹杆、横梁采用梁单元模拟，横梁与下弦杆之间采用弹性连接中的刚性连接模拟，钢管混凝土构件考虑施工阶段联合截面；混凝土桥面板采用板单元模拟；支座采用一般支承模拟，结构有限元模型见图1。

3.静力分析

3.1施工阶段受力计算（见表1）

在完成桥面铺装施工后，钢桁梁各构件受力达到最大值。其中，上弦杆内混凝土组合应力最大值（受压）为15.1MPa

3.2结构承载能力计算

对结构进行成桥后的承载能力极限状态分析，取结构重要性系数γ0=1.1，荷载组合考虑基本组合：1.2恒荷载+1.0收缩、徐变+1.4汽车荷载+0.75（1.1风荷载+1.4温度荷载）。详细结果如下所示：

（1）上弦杆应力计算结果。在承载能力极限状态基本组合作用下，上弦杆钢管组合应力最大值为221.0MPa

（2）上弦杆偏心受压承载力验算。上弦杆承载力验算依据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/ T D65-06-2015）中，钢管混凝土偏心受压构件承载力相关计算方法进行：上弦杆中部：γN=2.75×104kN<3.24×104kN；上弦杆端部：γN=1.00×104kN<2.75×104kN；

（3）上弦杆抗剪承载力验算。上弦杆中部：γ0V=2356.5kN<15.37×103kN；上弦杆端部：γ0V=7352.1kN<12.58×103kN。

（4）下弦杆应力计算结果。在承载能力极限状态基本组合作用下，下弦杆钢管组合应力最大值为181.8MPa

（5）下弦杆承载力验算。依据《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159-2004）中相关规定，验算下弦杆承载能力：下弦杆中部：Mun=1.11372×104kN/m；下弦杆端部：Mun=9.84501×103kN/m。

通过提取有限元模型计算结果，可以得出：下弦杆中部轴力最大值为21282.7kN，同一单元绕Y轴弯矩为2815.0kN·m；下弦杆端部轴力最大值为4504.5kN，同一单元绕Y轴弯矩为1227.1kN·m；则，下弦杆承载力验算如下：

下弦杆中部：N/fAsu+M/Mun=0.944<1；下弦杆端部：N/fAsu+M/Mun=0.293<1。

（6）腹杆应力计算结果。承载能力极限状态基本组合作用下，腹杆的最大拉应力为246.3MPa，所在单元位置为梁端第二根腹杆处；最大压应力为246.7MPa，发生在梁端第一根腹杆处；以上应力值均小于fd=295MPa，计算结果满足要求。

（7）动力特性。由计算得第一至第四阶频率分别为1.9226、2.3797、2.6969、2.7423，图2中，前两阶振型分别为纵桥向对称竖弯和横桥型反对称竖弯，第三、四阶振型均为人行道局部对称竖弯，这是由于下弦杆外悬臂人行道造成的，且三、四阶自振频率很接近前二阶整体竖弯频率，对结构较为不利。

4.结束语

通过计算发现，钢管混凝土桁架桥采用顶推施工方案能满足受力要求，且施工阶段应力储备较富余，但由于单片顶推，施工时桁架面外需增加临时支撑来保证性。本桥下弦杆外伸悬臂人行道，增加了上弦杆及腹杆应力，设计时应加强上弦杆及腹杆。外悬臂人行道部分对结构的自振也产生不利影响，设计时需采取措施减小振动。

参考文献：

[1]陈志明，王贤强，张建东，等.大跨径简支钢桁架桥顶推架设施工技术[J].施工技术，2018（S4）：643-646.

[2]蔡宏伟.钢桁架桥静力及动力特性探讨[J].山西交通科技，2012（02）： 27-29.