中派河特大桥钢桁架梁设计与施工要点分析

殷 亮

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司; 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

1 项目概况

引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程，是集供水、航运、生态等效益的一项水资源综合利用工程。

该工程与G3京台高速公路中派河大桥老桥交叉。交叉处老桥主桥为(48+70+48)m现浇连续箱梁，如图1所示，现状通航净空为60 m×8 m，根据引江济淮工程Ⅱ级航道通航净空130.4 m×10 m的尺度要求，需要对老桥进行拆除重建。

图1 中派河特大桥老桥现状

新建桥梁主桥上部结构采用(86+140+96)m三跨下承式变高度钢桁架梁。主要技术标准如下：道路等级为单向四车道高速公路；荷载标准采用公路-Ⅰ级；设计速度120 km/h；桥位处通航等级为Ⅱ级；地震动峰值加速度区为0.10g。

2 主桥结构设计

2.1 总体布置

主桥采用(86+140+90)m三跨下承式变高度钢桁架梁桥，如图2所示，由2片主桁组成，主桁中心距22 m，单幅桥主体结构全宽23.2 m。每个桥墩处两片主桁下均设有竖向刚性支座。下部结构主墩采用圆形实体柱式墩，过渡墩采用圆形实体柱式桥墩接盖梁，基础采用群桩接承台基础，钻孔灌注桩，桩基按摩擦桩设计。

图2 主桥桥跨布置(单位：m)

2.2 横断面设计

主桥桥面宽度20.25 m，横断面布置为0.5 m(防撞护栏)+19.25 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏),如图3所示。主桁架中心线间距为22 m，桁架内侧与钢结构护栏外侧预留有0.275 m的后期高强螺栓养护空间。

图3 主桥标准横断面(单位：cm)

2.3 主桁

主桁结构采用“W”形桁架，其节间长度为8 m至14 m不等，主桁上弦高度采用二次抛物线变化，两边跨矢高f=4.5 m，中跨矢高f=14 m。中支点处桁高22.0 m，跨中桁高为7.86 m。主桁结构总立面布置总图如图4所示。

图4 主桁结构总图(单位：m)

主桁设有预拱度，预拱度通过节点直接上移设置，由上下弦杆及腹杆长度伸缩形成，主桁预拱度按照恒载+1/2静活载挠度曲线值反向设置。

2.4 桥面系

桥面系采用正交异性钢桥面板，桥面板厚16 mm，下设“U”形纵向加劲肋，“U”形肋间距600 mm，“U”形肋高280 mm，板厚8 mm，桥面板横向两端各设置一个板式纵向加劲肋，板肋高160 mm，板厚16 mm。桥面系下设4道小纵梁，小纵梁高516 mm，腹板厚12 mm，下翼缘宽480 mm，厚16 mm，腹板上端与顶板焊连；在下弦节点处以及沿桥纵向设多道横隔梁(横隔梁间距为2.5 m至3.0 m不等)，横隔梁腹板板厚16 mm，腹板上端与桥面板焊接，横隔梁下翼缘板宽540 mm，厚20 mm。桥面系整体梁高为2 080 mm(桥面板上缘至横隔板下翼缘顶面)，桥面横坡由桥面系形成，桥面系材质均为Q345qD。

桥面板纵向在节点附近分段，桥面板横桥向分为3块。工地安装时桥面板及横隔梁下翼缘均采用熔透焊连接，横隔梁腹板及小纵梁采用高强度螺栓连接。桥面系与主桁下弦杆连接时上下翼缘采用熔透焊连接，横隔梁腹板和主桁下弦杆隔板采用高强度螺栓连接。

2.5 平纵联及桥门架

主桁上弦杆间设菱形平纵联，平纵联杆件均采用焊接“H”形构件，截面高500 mm，上下翼缘宽560 mm。平联节点板与主桁节点板采用焊接连接。

主墩处设有三角形桁架式桥门架，如图5所示。上弦杆采用焊接箱形杆件，杆件高500 mm，宽480 mm。下弦杆采用焊接“H”形构件，截面高448 mm，上下翼缘宽560 mm。桥门架斜腹杆均采用焊接“H”形构件，截面高448 mm，上下翼缘宽300 mm。

图5 桥门架构造图(单位：cm)

纵平联横撑杆及桥门架上下弦杆在安装时应注意均为水平设置，因桥面横坡需要，纵平联横撑杆及桥门架上下弦杆在2片主桁接主桁上弦杆节点位置分别设置了向上及向下的188 mm竖向偏心，如图6所示。

图6 中支点处平纵联布置图

3 静力特性及稳定

3.1 全桥静力分析

主桥整体静力分析采用MIDAS Civil程序进行计算。主桁各杆件，桥面系钢横梁、钢小纵梁均采用空间梁单元模拟，桥面板采用板单元进行模拟，如图7所示。

图7 空间有限元计算模型

边跨恒载加活载挠度为：41 mm，与跨度比1/2 177 小于1/1 600，边跨不需要设置预拱度。中跨恒载加活载挠度为：118 mm，与跨度比1/1182 大于1/1 600，中跨需要设置预拱度。

在汽车荷载作用下，中跨最大竖向挠度为53 mm，挠跨比为1/2 644；边跨的最大竖向挠度为33 mm，挠跨比为1/2 690。主桁边支点在正常使用状态下最小支座反力为945 kN，未出现负反力。

3.2 结构稳定性分析

利用空间模型进行动力特性分析，得到结构一阶模态为中支点横联局部杆件失稳，其稳定安全系数为37.4。结构的一阶整体失稳模态如图8所示，其整体稳定安全系数为53.9，失稳形式为跨中主桁架上弦杆面外失稳，满足整体稳定安全系数K大于4的要求。通过规范公式验算，其局部稳定和整体稳定均满足相应规范要求。

图8 结构一级整体失稳模态

4 主要施工方法

主桥上部结构建议采用支架和悬拼相结合的施工工艺，在跨中设置临时通航孔，如图9所示。除通航孔区域桁架采用悬拼施工外，其余区域均采用支架施工。

图9 主要施工方法流程图

钢梁安装工程中需做到：钢桥面板与主桁同步安装。主桥合龙前详细测量合龙口两侧钢梁的纵横竖偏移及转角和温差、日照影响，根据测量资料认真分析研究调整方法与步骤。一般先调整横向位移，接着调整纵向位移，再调整合龙口竖向高差和转角。

钢桁梁的合龙:顺桥向及横桥向调整通过设置在拼装支架上的纵、横向千斤顶实现，合龙前支架拼装侧的主梁均为简支的静定结构，主梁起顶和纵移对整体结构不产生附加作用。

边跨主梁在支架上拼装架设，临时工程施工时应考虑在施工过程中如何保证钢桁架拱肋的线形，确保支架的强度和刚度；中跨采用临时墩的架设方案，施工前需完善施工通航孔临时墩的审批程序及安全保障措施。

施工期间，应注意加强水上交通秩序的维护工作，保障大桥施工和船舶航行的安全，并建议有关部门制定大桥建设期间的相关水上交通安全管理规定，会同桥梁建设单位和航道管理部门共同维护桥区安全。

本桥2019年6月开工建设，于2020年9月建成通车，采用现场装配式钢桁架结构，如图10所示，使工程提前了5个月通车。

图10 建成通车照片

5 结束语

(1)主桥上部结构采用钢桁架梁，化整为零、方便运输和架设，现场高强螺栓连接，质量可控，响应了国家大力推广钢结构的号召，较好地适应了改扩建项目对工期的需求。

(2)主桥上部结构主桁采用二次抛物线变高度设计，相比传统的等高度平行桁架，结构轻盈美观, 线条流畅，与周围的环境协调行较好。

(3)对于连续结构桥梁，通过适当增加中支点处梁高，使其造型与结构受力弯矩图趋势基本一致，可以削减了支点部位的应力峰值，减少了钢材重量,节省造价。

(4)通过在中支点受力较大位置处设置少量上平联和在跨中敞开式构造，可以提高钢桁架结构的行车通透性。