曲线上100m简支桁架桥梁设计研究

吴孙尧

（上海同豪土木工程咨询有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着钢结构桥梁建设的不断发展，钢桁架桥以其承载力大、跨越能力强、造型美观等优势，逐渐成为钢结构桥梁的重要推广桥型[1]，尤其在结构跨径80～150 m 且桥面建筑高度受限时，下承式简支钢桁架桥在功能、经济、美观等方面均较突出，因此往往成为结构跨越方案的首选。

本文以一座位于缓和曲线上的主孔100 m 的简支钢桁架桥为例，探讨了其设计要点，为类似工程设计提供借鉴。

1 桥梁总体布置

某匝道桥位于缓和曲线上，为跨越现役都香高速主线而设，匝道全宽12.25 m。桥梁与都香高速线路呈斜交40°，现役高速公路不允许长时间封闭交通，因此没有落墩条件，需100 m 左右一孔跨越，且桥梁纵断面净空非常紧张。根据以上限制条件，采用总体方案为下承式简支钢桁架。为尽可能地减少封闭交通的时间，工法采用步履式顶推施工。总体布置情况见图1～ 图3，钢桁架自重11 275 t,钢材采用Q355D。

图1 桁架桥平面布置（单位：cm）

图2 桁架桥立面布置（单位：cm）

图3 桁架桥断面布置（单位：mm）

桥梁全长100 m，桥宽12.25 m，单幅布置。主桁采用带竖杆的等高度三角形桁式，桁高12 m，高跨比为1/8.33。主桁中心距为16.2 m，纵向共12 个节间，标准节间长度8 m。

主桁弦杆、桥门架采用箱形截面，腹杆、上平联、横梁均采用H 型断面。桥门架采用单梁式框架结构。杆件主要截面尺寸见表1。

表1 桁架杆件尺寸表 单位：mm

桥面系采用纵横梁体系，不设下平联。桥面采用现浇混凝土板，板厚为25 cm，支点加腋至35 cm。桥面铺装采用10 cm 沥青铺装。

钢桁架总体施工方案为工厂焊接、现场以栓接为主。主桁采用整体式节点，其杆件均采用现场栓接；横梁与主桁连接、纵梁与横梁连接均采用现场栓接；平联采用现场焊接。

2 设计要点

2.1 平曲线与超高的处理方式

本桥平曲线位于缓和曲线上，靠近0 号台附近曲线半径仅220 m，桁架平面线型设计有两种方案。方案一为曲桥直做，方案二为直接做一个曲线桁架桥。考虑到桁架结构上下弦杆以轴向变形为主，且抗扭能力较差，本桥曲线半径过小，单孔跨径也较大,综合考虑后采用方案一，即以直代曲做法。

为包络匝道桥外轮廓线，确定最经济的桁架宽度，桁架中心距由此确定为16.2 m，混凝土板宽15 m，弦杆宽度60 cm，预留操作空间30 cm（见图4）。

图4 桁架以直代曲做法平面示意图（单位：cm）

防撞护栏有两种布置方式（见图5）。方案一是同桁架平行做成直线，并沿着匝道路线轮廓线设置水马等活动护栏。这种设置在匝道上具备可行性，因为匝道的路线设计车速仅40 km/h。其优点是结构施工简单，受力也比较明确，构造之间的关系简洁。其缺点是桥头处的永久护栏与道路护栏衔接不顺畅，存在车辆正面撞击护栏的风险。

图5 防撞护栏设计方案（单位：cm）

方案二是直接沿着匝道轮廓线设置永久防撞护栏。其优点是防撞设施与路线一致，缺点是桥面系结构较复杂，施工放样难度相对较大，且阴影区域铺装处理、排水均较麻烦。

本匝道桥位于超高渐变段上，纵断面位于3.95%的直线段上。为了便于桁架加工和现场顶推施工，考虑将主桁架平做（不设纵坡和横坡），超高渐变通过纵梁与横梁连接的高度变化实现（见图6）。

图6 超高渐变的构造处理方案（单位：cm）

2.2 纵向受力体系的处理方法

为了明确结构以主桁作为受力结构，以纵横梁体系仅作为传力结构，应尽可能避免或减少纵横梁体系参与整体受力。

由于主桁在竖向荷载作用下，下弦杆受拉后轴向伸长，横梁在纵桥向的变形将受到纵梁的约束，因此纵梁会参与受拉，而横梁将产生较大的面外弯曲变形，对横梁的受力不利，结构整体受力和传力路径复杂，降低了结构的整体可靠度。为了尽可能改善这种情况，需要释放纵梁的轴向约束。

释放纵梁轴向约束的方式有两种。第一种方法是先释放后固定。该方法采用焊接连接实现较困难，因此考虑采用栓接。纵梁与横梁栓接时，一侧直接拧紧，另一侧开长孔先不终拧，在桁架钢结构架设完成、桥面混凝土板施工完成后，将长孔一侧螺栓终拧，最终成为横梁和纵梁固结体系。该方案仅少量的二期和活载作用下，纵横梁参与桥轴向的受力（见图7）。其缺点是顶推完成之后需要局部临时封道做终拧的工序。

图7 桁架纵向两阶段变形协调特性

第二种方法是轴向体系一次成型，桥中设断缝。纵梁直接与横梁焊接，但在桥跨中央将纵梁与横梁释放梁端轴向约束（可通过栓接实现），混凝土板直接做断缝，并设置桥面伸缩缝。

由图8、图9 可见，设缝后弦杆和纵梁的受力分配发生变化，横梁面外弯矩总体上均明显改善，结构受力更加明确。

图8 弦杆和纵梁轴向应力比较

图9 横梁面外弯曲应力比较

2.3 伸缩缝型号选择

与普通梁式桥不同的是，桁架桥下弦杆以轴拉为主。在自重和活载等竖向力作用下，下弦杆本身会有较大的轴向伸长，因此伸缩缝设置时，除了考虑常规的温度力、制动力、风等水平荷载外，还要额外考虑下弦杆在竖向力作用下的变形。此外，简支桁架桥往往一端设固定支座，另一端为活动支座，因此活动端的变形将控制伸缩缝的选型。

本桥桁架的伸缩缝开口量、闭口量见表2。

表2 桁架活动端水平位移值 单位：mm

由表2 可知，总闭口量为71.3 mm，开口量为27.6，开闭口共计98.9 mm。按照规范[2]考虑β=1.3 的安全系数后，C=98.9×1.3=128.6 mm。由此本桥考虑梁端设结构缝80mm，伸缩缝型号选择D160 型。另外，更需要注意的是，竖向荷载对闭口值的贡献占60%，对开闭口总量贡献占40%以上。因此，伸缩缝选型和梁端结构留缝时，要充分考虑竖向荷载的影响。

2.4 栓接节点设计要点

总体方案采用工厂焊接，现场栓接。拼接运输节段按8～14 m 一段控制（见图10）。

图10 桁架节段总体划分示意图（单位：mm）

主桁节点均采用整体式节点板，节点板厚度同弦杆腹板厚，节点板高度由其法向应力和拼接杆件的构造要求控制。主桁架采用板件等强连接原则确定螺栓数量，并按规范对拼板和螺栓考虑10%的富裕[3-4]（见图11）。

图11 上弦杆节点示意图（单位：mm）

本桥主桁架总重量为750 t，钢结构总量1 275 t，节点重量约225 t，约占主桁架重量30%。因此，结构分析时，应充分估算栓接节点重量对结构受力的影响。

2.5 施工方案

本桥跨越现役都香高速公路主线，下穿路没有临时支撑条件，考虑采用步履式顶推施工。从两侧桥头情况来看，1 号台侧更适合作为顶推场地，因此考虑从1 号台侧往0 号台侧方向顶推，顶推重量为1 355 t（钢桁架重1 275 t，钢导梁重80 t），顶推力约256.8 t。

式中：K 为安全系数，取1.5；G 为顶推总重；μ 为摩阻系数，取0.1；i 为顶推滑道坡度。

顶推施工主要工序分为四步，见图12。

图12 顶推施工工序图（单位：cm）

3 结构有限元分析

采用Midas Civil 2020 建立有限元模型，采用桥博V4.3 校核。有限元模型见图13。桁架杆件均采用梁单元模拟，上下弦杆、端斜杆采用刚接模拟，余杆件采用铰接模拟，释放杆件梁端的弯曲自由度；横梁和主桁采用铰接连接。

图13 桁架结构有限元模型

考虑的荷载主要有结构恒载、二期、整体升降温、风荷载、汽车活载等。

静力作用下，主桁杆件的主要效应见表3。

表3 主桁杆件的主要效应

结构的动力特性见图14，一阶侧弯基频为0.73 Hz，一阶竖弯基频为1.6 Hz。

图14 结构动力特性

表3 中应力已考虑压杆局部稳定和整体稳定折减。由表3 可见，通过截面设计，桁架的整体应力水平基本控制在220 MPa 左右。拉杆扣除螺栓孔后，其净截面应力水平也在安全范围内。从挠度来看，26.1 mm＜L/600[2]=166.7 mm，桁架结构竖向刚度一般不控制设计。

4 结语

经过以上分析，可以得出以下结论：

（1）桁架桥总体布置时，应着重考虑桥梁的施工方式。在平曲线半径小于300 m 的曲线上做桁架桥，宜通过曲桥直做实现，桥面超高可由桥面系来调整，桁架宜做成平坡结构。

（2）桁架设计时，应尽可能避免桥面纵横梁参与同主桁共同承受轴向力，宜通过构造措施降低其影响。

（3）简支桁架桥在伸缩缝设计时，竖向荷载对结构闭口量的影响是不可忽略的，将直接影响结构伸缩缝选型和结构缝的设定。

（4）桁架结构采用栓接时，拼接处节点重量是不可忽略的因素，可占主桁架的25%～30%。对于公路桥，疲劳并不控制结构设计，因此采用焊接方式，经济性更加突出。

（5）本研究可为其他同类型桁架桥工程设计提供借鉴。