某跨高速公路大桥下乘式简支钢桁架主桥上部结构设计分析

刘樊程

（徐州市交通规划设计研究院，江苏徐州221006）

0 引言

简支钢桁架桥凭借其高强的跨越能力、优美的造型、良好的全寿命周期经济性和环保性，在公路桥梁中的应用越来越广泛。

1 项目概况

某建设工程项目新建段为双向六车道一级公路，设计车速100km/h，路基全宽33.5m，中央分隔带宽2m，项目路于高速公路枢纽分流鼻端跨越高速公路，项目路路线与高速公路主线右偏角为105.2o，该处高速公路为双向六车道，设计车速120km/h，由于桥位位于分流鼻末端，为给今后枢纽改造预留空间，本桥一孔跨越高速公路枢纽，桥下净高大于等于5.5m。本桥主桥采用1-92.6m 下乘式简支钢桁架桥（如图1所示）一孔跨越高速公路枢纽，桥梁分幅设置，为满足左右幅两座钢桁架桥设置空间，桥梁段中央分隔带加宽至4m。桥梁引桥采用35m 预应力混凝土箱梁，全桥跨径组合为(5×35)+2×(4×35)+92.6+(3×35)m，桥梁全长660.76m，桥梁右偏角105o。主桥下部采用柱式墩，柱径2m，下接承台高2.5m，每个桥墩用18 根φ1.5m 钻孔灌注桩基础。引桥桥墩采用柱式墩，桩基础及扩大基础桥墩桩基直径为φ1.6m，桥台采用肋板式桥台下接群桩基础及座板式桥台，扩大基础，桥台桩基直径为φ1.2m。

图1 主跨桥型布置

跨高速公路大桥平面位于直线段内，竖曲线位于半径R=7000m 的凸形曲线内，纵坡为2.5%。

2 桥梁横断面布置

主桥半幅横断面为2×0.963m（桁架）+2×0.525（护栏）+净-15.475m（行车道）=18.45m。桥面铺装为25cm 厚C50 混凝土桥面板+10cm 厚沥青混凝土。路面为双向2%横坡，由横梁变高形成[1]。

3 总体布置及主要结构形式

主桁架采用等高的华伦式三角形腹杆体系，主桁中心高度11m，全桥采用等节间的布置方式，节点布置为10×9.1m，高跨比为1/8.3。两片主桁中心距采用17.8m，宽跨比为1/5.2，桥面净宽2×15.475m。

3.1 主桁杆件截面

主桁弦杆采用焊接箱形截面，截面宽度均采用650mm，截面高度有800mm 和1100mm 两种，其中竖板厚28～40mm，水平板厚24～32mm，杆件按照四面拼接设计，拼接处杆件的宽度及高度均相同，不同高度的杆件之间通过垫板进行调整。

3.2 主桁节点

主桁节点均采用整体节点板高强螺栓栓接节点板厚度16～28mm。

3.3 平联

本桥仅设置上弦平联，上弦平联设置为X 形桁式，上弦平联由横向撑和斜向撑组成，仅端部横向撑设置为箱形截面，截面宽度为600mm，高度为500mm，余均设置为工字形截面，截面高宽、宽度均为500mm。

3.4 桥门架

全桥于桥端设置两处桥门架，门架采用桁架式，杆件均采用工字形截面，截面宽360mm，高460mm。

3.5 纵横梁体系

本桥采用纵横梁体系，半幅主梁横向共设置5 道纵梁，纵梁横向布置为4×3.4m，纵梁计算跨径9.1m，纵梁为工字型截面，截面高度800mm，宽度500mm。

横梁设置在下弦杆节点处，全桥横梁分为两种，设置与主桁端部的端横梁及设置在主桁中部的中横梁，其中端横梁采用鱼腹式箱型截面，截面宽750mm，端横梁端部高1.0m，跨中高1.4m，截面变高处理，半幅横梁梁顶横坡为2.0%，端横梁横梁腹板上设竖向及纵向加劲肋。中横梁采用鱼腹式工字型截面，底板宽800mm，顶板宽600mm，截面高1.0～1.4m。底、顶板及腹板厚度分别为32mm、24mm 及20mm[2]。

纵、横梁连接处，顶板通过节点板采用高强螺栓栓接，横梁腹板开孔，以供纵梁底板穿过，纵梁底板不截断。

3.6 桥面系

由于本桥为一级公路上的桥梁，项目路交通量大且重车占比大，为保证桥面耐久性，桥面板采用疲劳性能好的混凝土桥面板，桥面板分为预制、现浇两部分，预制桥面板采用C50 混凝土，现浇桥面板采用C50UEA 补偿收缩混凝土，预制桥面板厚度为25cm，每个节间沿纵向设置1 块、沿横向设置4 块预制桥面板。预制板纵横梁均设置剪力键，剪力键突出5cm。

4 结构计算分析

4.1 计算模型

主桥空间静力计算采用MIDAS/CIVIL 程序建立空间杆系模型进行计算，主桁、平联、横纵梁等均采用梁单元，桥面板采用板单元进行模拟。设计荷载有永久荷载、汽车荷载、人群荷载、风荷载、温度荷载及地震荷载，按规范进行最不利荷载组合。

本桥模型共划分171 个节点，366 个梁单元，80 个板单元（如图2所示）；护栏及桥面铺装按照均布荷载分别作用于纵、横梁。

图2 主桥结构MIDAS 计算模型

4.2 主桥总体计算结果

4.2.1 应力验算

主桥各杆件均采用Q345qD 钢，且厚度均小于50mm，根据《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2015）屈服强度σs=345MPa，设计安全系数K=1.7，容许应力为[σ]=202.9MPa。计算结果按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）最不利荷载组合得出如表1所示。

表1 应力验算结果汇总表

根据验算结果，主桥各主要构件应力均满足相关规范要求。

4.2.2 结构变形验算

《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）简支钢桁架竖向挠度限值为l/500，本桥计算跨径91m，根据规范，本桥竖向挠度限值91000/500=182mm，根据计算结果，结构在不计冲击力的汽车荷载作用下产生的最大竖向位移为12.8mm，w=12.8mm＜182mm，结构变形满足规范要求。

4.2.3 主桥支撑体系选择

支反力计算结果显示，标准组合下最大支反力值为6704.5kN，主桥支座承载力为8MN 的QZ-8000 支座，支座承载力满足使用要求。

4.2.4 结构动力特性分析

根据动力特性分析模型计算得到结构的前6 阶自振频率如表2所示。

表2 结构前六阶自振频率

5 结语

下乘式简支钢桁架桥造型简单大方，采用顶推施工方案，施工过程对桥下交通影响小，建筑高度低，自重轻，跨越能力强，能够有效减小桥梁总体规模，全寿命周期经济效益好，应用前景广阔。