双层钢桁架桥梁结构受力分析

韩忠磊，林康

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

钢桁架桥梁结构自重较小，具有刚度较大、跨越能力强、施工速度快等优点，在城市道路工程中得以广泛应用。

1 工程概况

遵义市凤新快线工程是遵义市中心城区核心区的东西向快速交通走廊，连接中心城区核心区与新蒲新区，服务于老城区、丁字口片区、中华路片区、环城路片区等中心城区核心区域，对城市发展起重要支撑作用。该工程西起遵义市公交公司，东至礼仪新城，全长约3.7km。

桥梁主桥采用双层钢桁架连续梁，设计荷载为城市-A级；标准断面宽31m，上下两层桥面均设置双向六车道；设计速度为60km/h；桥梁设计基准期为100年；防腐年限为20年；抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g，场地类型为Ⅱ类。

2 钢桁架桥梁结构计算分析

2.1 钢桁架结构概述

遵义市凤新快线工程桥梁主桥为三跨连续双层钢桁架桥，道路中心线处跨径为46.667m+92.564m+80.769m=220m，上下两层桥面纵坡均为0.3%，横坡均为双向1.5%。钢桁架桥由主桁架、主横桁架组成。主桁架采用腹杆均为斜杆的Warren式桁架体系，桥梁全宽32.32m。横桥向设置3片桁架梁，即在桥梁两侧和中央分隔带设置主桁架，两主桁中心距15.5m，主桁桁高13.006m。

桥面系为正交异性钢桥面板。桥面板厚16mm，U肋尺寸为320×240×8mm，U肋标准间距620mm。横梁间距为桁架节点间距，约为12m。在横梁之间设4道横肋，横肋间隔约为2.4m。钢桁架桥结构形式如图1所示。

图1 桁架桥结构形式（单位：m）

2.2 钢桁架主要材料参数

钢桁架桥桥梁主体结构采用Q390D，部分附属结构采用Q235C，所有钢材性能均符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2008）的要求：弹性模量E＝2.06×105MPa，剪切模量G=0.88×105MPa。

2.3 钢桁架计算荷载

（1）自重：结构自重由程序自动计入，主桁架焊缝、拼接板、节点板、桥面系，桁架间横向连接系的焊缝重按自重的15%计入桥面系。

（2）二期恒载，根据实际情况计入：①桥面铺装（7cm浇筑式沥青铺装）：1.61kN/m2；②桥面防撞墙（单侧面荷载，共两侧）：6kN；③人行道结构（单侧面荷载，共两侧）：3kN。④中央分隔带绿化荷载：18kN/m。

（3）活载：①城市A级，六车道；②人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取值。

（4）温度：最高温度为40.0℃，最低温度为-25℃，结构设计温度为-25～40℃。

（5）风力：考虑横向静风荷载作用。

2.4 钢桁架静力分析工况及计算内容

（1）钢桁架静力分析主要工况：①恒载；②恒载+活载（车道荷载+人群）；③恒载+活载（车道荷载+人群）+温升+风荷载；④恒载+活载（车道荷载+人群）+温降+风荷载；⑤疲劳I荷载；⑥恒载+1/2车道荷载。

（2）钢桁架主要计算内容：①承载力能力极限状态下主桁杆件强度和稳定计算；②主桁杆件疲劳计算；③承载力能力极限状态下正交异性钢桥面应力计算；④支座计算等。

2.5 钢桁架分析模型构建

全桥静力分析采用线弹性空间分析法，应用Midas Civil 2012软件建模计算。主桁、横梁、横肋、下平联等各杆件采用空间梁单元，每个节点均有6个自由度；桥面板采用板单元模拟，每个节点均有6个自由度。结构的三维模型及弦杆截面分别见图2和图3。

图2 结构三维模型

图3 弦杆截面

2.6 桥梁风荷载参数

本工程桥梁结构具有“跨度较大、桥面较宽”的特点，为结构抗风打下良好的基础。同时，该桥具有“轻质、弱阻尼”的特点，为了保障桥梁结构的安全性，需对结构抗风能力进行验算。

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60—01—2004）的附录A《全国基本风速值和基本风速分布图》，遵义地区地面以上10m高度，100年重现期的最大风速V=24.9m/s。本桥位于遵义市内，因此取设计基本风速V10=24.9m/s。

3 钢桁架桥梁结构计算结果

3.1 钢桁架结构位移分析

3.3.1 恒载作用下桥梁位移

在进行恒载作用下的位移计算时，考虑荷载工况为钢结构自重和二期恒载。此时恒载作用效应分项系数均取1.0。恒载作用下全桥竖向位移见图4。

图4 恒载作用下全桥竖向位移（最大44.5mm）

3.3.2 风荷载作用下的结构横向位移

在进行风荷载作用下的位移计算时，考虑荷载工况：设计基准风速为24.9 m/s的横向静风荷载。此时风荷载作用效应分项系数取1.0，经计算，风荷载作用下横向位移最大值为2.2mm。

3.3.3 活载作用下竖向挠度限值计算

参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中第4.2.3条规定，连续桁架梁在汽车车道荷载频遇值（频遇系数1.0）作用下的竖向挠度限值为L/500，其中L为计算跨径。本桥最大跨的计算跨径为92.564m，本桥最大跨竖向挠度限值为92.564/500m=0.185m=185mm。经计算，汽车车道荷载频遇值作用下钢桁架桥的最大挠度为21.5mm，小于限值，满足规范要求。

3.3.4 恒载+1/2车道荷载作用下结构变形计算

参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中第4.2.4条规定，钢桥的预拱度设置宜按照结构自重标准值加1/2车道荷载频遇值（频遇系数1.0）所产生的挠度进行设置。经计算，恒载+1/2车道荷载作用下全桥竖向位移最大值为74mm，需设置预拱度，跨中设置74mm向上预拱度。预拱度设置见图5。

图5 预拱度设置图

3.4 桁架杆件强度和稳定性计算

对于主桁杆件，均按照拉/压弯构件进行强度检算，并记入局部稳定性影响。同时，对压弯构件进行整体稳定性计算，具体可参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64—2015）的相关规定。

3.4.1 杆件强度计算

杆件强度计算包含上弦杆强度计算、下弦杆强度计算、腹杆强度计算、端横梁强度计算、端部受压柱强度计算。经计算，各杆件强度均满足规范要求。

3.4.2 杆件稳定性计算

对上弦杆、下弦杆、腹杆及端部受压柱的稳定性进行计算，发现各杆件稳定性均满足规范要求。

3.5 正交异性钢桥面应力计算

参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015），对正交异性钢桥面关键细节处承载能力极限状态下的应力进行计算。经计算，正交异性钢桥面应力（见表1、表2）均满足规范要求。

表1 正交异性钢桥面上桥面应力汇总表

表2 正交异性钢桥面下桥面应力汇总表

3.6 桁架构件疲劳计算

本桥施工规模较大，对于主体构件，恒载引起的应力明显大于汽车荷载引起的应力，而且连接处采用栓接而非焊接，抗疲劳性能较好，故疲劳设计仅针对桥面系。桥面系的抗疲劳设计则根据同样规格参数桥面板的实际情况，因此桁架构件满足抗疲劳要求。

3.7 支座反力

本桥采用球形支座，支座在所有组合下均满足要求，其布置如图6所示。

图6 支座布置图

4 结语

综上所述，本工程通过构建桥梁有限元模型，对钢桁架桥梁的空间结构、平面结构进行了计算分析，发现主杆件的强度和稳定性均满足规范要求。不过，后期仍需加强检测与管理工作，延长桥梁的安全使用寿命。