下承式简支钢桁梁桥设计要点分析

段亚军，马芹纲，陈多

（浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州 310031）

1 引言

对于跨越航道的桥梁，为降低工程投资，选择桥梁结构形式时采用桥面结构高度较低的结构形式，可以大大缩短引桥长度，有效地减少投资；又或是改扩建项目中的桥梁，由于种种原因要求主桥加大跨径，原有主桥需拆除重建，为了利用原有引桥，也需选择低桥面结构高度的主桥结构形式。对于主跨70～120m 的桥梁结构形式，钢桁梁桥不失为一种合理桥型选择。钢桁梁桥具有施工速度快，便于检测维修，桥面结构高度低等诸多优点【1】。

2 材料

钢材材料标准一般按照GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》或GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》执行。GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》材料标准较GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》要求高，桥梁用钢对有害成分的要求更高一些，冲击韧性更好一些。考虑到该种桥型单跨跨径较大，可采用桥梁用结构钢。对于主桁构件，可考虑采用高强度桥梁用钢，如Q370qE 或Q420qE 等级钢材，具体应根据计算情况综合选定钢材等级。

考虑到桥面系检查困难，设置检修小车使用不便，桥面系纵横梁可采用耐候钢。耐候钢较同等钢材略贵，但耐候钢免涂装，其全寿命周期的经济性更高，在不便养护的情况下是一种更优的选择。尽管耐候钢的焊接较普通合金钢难度稍大，需要采用专门的焊材，但对于较大的钢结构加工厂，这些问题均能解决。

3 构造

3.1 主桁架形状

主桁架是钢桁梁桥的主要组成部分，它的形状选择对钢桁梁桥的设计质量起着重要作用。常见的有4 种。

3.1.1 三角形桁架

由斜腹杆与弦杆组成等腰三角形的桁架称为三角形桁架，有带竖杆和不带竖杆2 种形式。它是目前应用最广的一种桁架形式，适用于各种跨度的桥。其主要优点是：弦杆的规格和有斜杆交汇的大节点个数比较少；构造相对简单，适应钢桁架桥设计定型化，便于制造和安装。

3.1.2 斜杆形桁架

相邻斜杆互相平行的桁架称为斜杆形桁架。他与三角形桁架相比，其弦杆规格多，每个节间都有变化；竖杆不仅规格多，而且内力大，所有节点都有斜杆交汇，均为大节点。因此，在构造及用钢量方面不及三角形桁架优越。

3.1.3 K 形桁架

斜杆与竖杆构成K 字形的桁架称为K 形桁架。由于主桁架同一节间内的剪力由2 根斜杆分担，其斜杆截面较上述2种类型要小。但这种桁架的杆件规格多，节点多，节间短，纵、横梁的杆件和连接较多，用于中小跨度时，构造显得复杂，在大跨度桥上可采用。

3.1.4 双重腹杆形桁架

双重腹杆形桁架是由2 个不带竖杆的三角形桁架叠合而成。斜杆只承受节间剪力的一半，杆件短、截面小，若用于大跨度梁，受压斜杆短，对压屈稳定有利。我国大跨度钢桁梁多采用带辅助竖杆的双重腹杆形桁架，如武汉长江大桥和南京长江大桥。

各种主桁架形状比较见表1。

表1 各种主桁架形状比较表

3.2 主桁架高度

在主桁架跨度确定的条件下，桁架高度由用钢量、刚度等要求来确定。显然，主桁架高度直接影响用钢量，主桁越高，上、下弦杆受力越小，弦杆用钢量较少，但造成腹杆较长，腹杆的用钢量增加；反之，桁高较小时，腹杆用钢量较少但弦杆用钢量增加。可见，合理的主桁架高度将产生经济的用钢量。

JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》规定，简支钢桁梁静活载扰度不能大于其跨度的1/500。主桁高度对钢梁桥墩挠度影响很大，拟定主桁高度后，再对挠度进行试算。下承式桁架应保证净空要求，公路限界高度一般不小于5m。下承式钢桁梁主桁架高度还应考虑桥面、桥面系以及横联、门架所占结构高度。

3.3 节间长度

节间长度决定腹杆数量，斜杆倾角则影响腹杆用钢量和节点构造。太小的节间长度将导致倾角过大，腹杆数量增多，节点尺寸增大；太大的节间长度则导致倾角过小，腹杆长度变大。过大或过小的倾角都将导致斜杆端部无法伸入节点中心，节点板变长或变高，使得节点板平面外刚度变差。现在，我国无论是钢材性能还是加工、制造设备能力都有了大幅度提高，大跨度桁梁节间长度可达10～15m。

3.4 上下平联

上下平联主要为增强结构总体刚度，考虑到上平纵联的设置导致构件多，行车压抑，而且养护难度大。建议采用一字型风撑或K 撑。

2012 年建成的日本东京京门大桥是日本现代大跨钢桁架桥梁典型代表。该桥跨径为160m+440m+160m，桥下是东京港的航路，航道宽310m，高52.5m。对比日本早期、近期的钢桁架桥可以看出，新建的京门桥采用了一字风撑、大尺寸杆件、等间距布置，配以创新的结构外形设计，使古老桁架桥型焕发了青春，该桥已成为东京的新标志、新名胜，受到越来越多的关注。

3.5 结构体系

收集公路系统的资料，主桁架采用的三角形桁架可以分为如下3 种形式。

3.5.1 体系一：带竖杆三角形桁架

带竖杆的三角形桁架，其节间数必为偶数，节点分为大节点和小节点。

带竖杆三角桁桥面系采用纵横梁体系，横梁分为大小横梁，横梁间距6m 左右，纵梁间距4m 左右，桥面板为双向板。

体系一的优点：小横梁处增加了竖杆，桥面系荷载通过横梁直接传递给竖杆，弦杆主要承受轴力，承受的弯矩和扭矩很小，主桁架受力明确、简单。缺点是增加了竖杆，杆件多，通透性差；其节间数必为偶数，无法增加或缩减单个节间，通用性不好；节点种类多。

3.5.2 体系二：带小横梁的无竖杆三角形桁架

带小横梁的无竖杆三角形桁架，其节间数可为奇数，也可为偶数，节点均为大节点。

图1 为无竖杆三角形桁架桥面系典型布置方式，采用纵横梁体系，横梁分为大小横梁，横梁间距3m 左右，桥面板按纵向单向板设计，纵梁间距8m 左右，主要防止横梁侧向失稳。

图1 无竖杆三角形桁架（密横梁）平面

体系二的优点：取消了竖杆，杆件种类少，通透性好；其节间数可奇可偶，可增加或缩减单个节间，通用性好；节点种类少。缺点：将节间的小横梁加密，桥面系荷载通过小横梁直接传递给弦杆，弦杆既受拉，又受弯矩和扭矩，主桁受力复杂；对应小横梁处的弦杆内需要设置加劲板，加工制作较为麻烦。

3.5.3 体系三：不带小横梁的无竖杆三角形桁架

不带小横梁的无竖杆三角形桁架，其节间数可为奇数，也可为偶数，节点均为大节点。

无竖杆三角形桁架桥面系采用纵横梁体系，横梁均为大横梁，仅在大节点处设计横梁，横梁间距10m 左右，桥面板按横向单向板设计，纵梁间距2.5m 左右，桥面荷载通过纵梁传递给横梁，再传递给主桁架。

体系三的优点：取消了竖杆，杆件种类少，通透性好；其节间数可奇可偶，可增加或缩减单个节间，通用性好；节点种类少；桥面系荷载通过横梁直接传递给竖杆，弦杆主要承受轴力，承受的弯矩和扭矩很小，主桁架受力明确、简单。缺点：纵梁较多，横梁受力较大，纵横梁体系用钢量较大。

三角形桁架3 种体系比较见表2。

3.6 桥面结构

下承式钢桁梁桥面常见形式有以下2 种。

3.6.1 混凝土桥面

混凝土桥面板安装在纵、横梁上，承担桥面二期恒载及汽车活载，可以参与主桁架整体作用。

3.6.2 正交异性板钢桥面

正交异性钢桥面与主桁架下弦杆联结，不仅参与主桁架整体受力，同时也参与车辆活载局部作用。桥面钢板与主桁架下弦杆顶面连接，纵向设置加劲肋。

表2 三角形桁架3 种体系比较表

这2 种桥面结构都能满足使用功能要求，技术上都比较成熟。对于混凝土桥面板，也有2 种结构形式。体系一：混凝土桥面板仅与纵横梁结合，仅承受自重和车辆荷载，不与下弦杆结合，不参与结构主体受力，受力简单。体系二：下弦杆上翼缘板外挑（或下弦杆腹板外侧设一挑臂），挑臂上布置剪力钉，用于与桥面板结合，使得下弦杆成为同时承受拉弯扭作用的杆件，桥面板参与结构整体受力。

4 结语

本文系统阐述了下承式简支钢桁梁桥设计中的关键技术，对下承式简支钢桁梁桥的材料及各种构造进行了系统分析。对于主跨70～120m 的范围内桥梁结构形式，可供选择的桥型有预应力混凝土连续梁桥、系杆拱桥和钢桁架桥。预应力混凝土连续梁桥设计、施工经验均很成熟，难度小、风险低，是较为理想的桥型；但其结构高度高，以主跨80m 为例，其结构高度约5m，比钢桁架桥结构高度高出3m 左右，引桥长度大大加长。下承式系杆拱桥由于其建筑结构高度低的特点，可以大大减少两侧引桥长度，显著降低工程造价。但由于拱肋一般采用钢管混凝土结构，混凝土很难灌注密实，且检测、维修难度大，再加上吊索锚头锈蚀的问题一直未得到有效解决，近年来采用系杆拱桥已越来越少。钢桁架桥工厂制造，现场拼装，施工速度快【2】，便于检测维修，由于结构高度低，无论是新建或改扩建桥梁，下承式简支钢桁梁桥均应用广泛。