双层钢桁架桥梁关键技术研究

董浩、章晗

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

1 概述

钢桁架结构是由弦杆、腹杆组成的具有三角形单元的平面或空间结构。这种结构以承受轴力为主，通常跨中位置处的弦杆轴力大，支座位置处的腹杆轴力大。双层钢桁架结构，不仅继承了常规桁架结构的受力特点，而且极大地提高了桥梁的经济性与实用性，因此越来越多的设计人员开始采用双层钢桁架结构桥梁。

目前，只有少数学者对钢桁架桥梁的力学性能进行了研究：成浩嘉对双层钢桁架梁桥进行了静力模型试验研究；杨梓研究了腹杆倾角对双层钢桁架桥受力的影响；许一对桥面板与钢桁架共同作用时的桥梁力学特性进行了研究；甄玉杰对多跨双层钢桁架连续梁桥进行了技术研究；岳云龙研究了钢桁架跨河人行桥梁的设计要点；袁安华研究了桁架人行天桥的受力特性；苏祥亚研究了钢桁架桥的节点设计等。

本文对祝塘河大桥双层钢桁架桥梁的静动力特性进行了研究。祝塘河大桥为跨度90m 的双层简支钢桁架梁桥，桥面总宽34.65m，上层为8 车道公路，下层为4 车道公路+两人行车道及两非机动车道。上下层均为正交异型钢箱桥面。主桁采用两片三角形桁架，主桁中心距34.9m，节间长度10m。桥梁横断面采用两片主桁的形式。

上、下弦杆均采用箱形截面，主桁腹杆采用箱形截面或H 形截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接。上弦杆高1.89m，内宽1.0m，上弦杆上、下水平板的板厚为24mm、28mm，竖板厚为24mm、28mm；在杆件的竖板上设两道板式加劲肋，上、下水平板各设一道板式加劲肋；节段间顶板采用焊接，腹板与底板均采用栓接。钢桁架断面、主桁各构件截面编号及尺寸如图1～图3所示。

图1 钢桁架断面图（单位：cm）

图2 钢桁架立面图（单位：mm）

图3 杆件断面图(单位：mm)

2 有限元分析

采用有限元软件Midas 对桁架结构进行计算分析，根据钢桁架梁各杆件的布置、长度等以及施工方案对结构进行离散，应用梁单元、板单元，建立全桥的空间模型。结构有限元模型共2512 个节点，392 个梁单元，2900 个板单元，客观真实地模拟了主桥各个部位的截面形状。全桥计算分析时，严格按照施工阶段进行模拟，保证成桥后结构受力的准确性。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

2.1 恒载

一期恒载包括桁架各杆件自重及桥面板自重，钢材容重取78.5kN/m；二期恒载包括桥面铺装、护栏等荷载，混凝土桥面板容重取26kN/m。

2.2 活载

2.2.1 汽车荷载

设计荷载：公路-I 级，按照16 个车道进行纵横向布载。

2.2.2 汽车冲击力

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.2 条,结构主梁竖向弯曲振动基频为3.0Hz，相应冲击系数为0.178，汽车荷载的局部加载冲击系数μ=0.3。

2.3 温度荷载

桥梁整体升温30C，桥梁整体降温-30C；梯度温度：采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.3.12 条梯度模型计算。

2.4 计算结果

根据有限元的计算结果，得到双层钢桁架桥梁在基本组合作用下的静动力受力特性，其结构应力包络图如图5所示、活载变形图如图6所示、结构振型图如图7所示。

图5 结构应力包络图（单位：MPa）

图6 结构活载变形图（单位：mm）

图7 结构一阶振型图

由计算结果可知，结构在基本组合下的最大拉应力和最大压应力均为186.8MPa，均位于支座附近的竖腹杆。上下弦杆的应力范围是99～112MPa，腹杆应力在179～186.8MPa 之间。双层钢桁架桥梁在活载作用下的最大挠度为9.5mm，远小于规范要求的桥梁跨径的1/500（180mm）。双层钢桁架桥梁的一阶振型为结构的竖向弯曲变形，与一般简支梁桥的振型基本一致。根据桁架结构的截面尺寸，计算得到截面特性（见表1）。

由表1可知，按常规尺寸设计的双层钢桁架结构刚度远远超过规范要求。由于双层钢桁架结构的腹杆应力大于弦杆应力，且腹杆长细比远小于规范限值，因此腹杆强度设计将成为影响此类结构安全的控制性因素。

表1 杆件截面特性

3 参数分析

为了研究不同跨径及不同主桁间距下，双层简支钢桁架桥梁静动力特性的差异，本文对跨径60m、70m、80m、90m，主桁间距20m、25m、30m、35m 的桥梁结构进行有限元参数分析，得到计算结果见表2～表5，图8～图11。

表2 结构最大轴力（不同主桁间距）

表5 结构一阶动力特性（不同跨径）

图8 结构最大轴力（不同主桁间距）

图11 结构自振频率（不同跨径）

由表2、表3、图8、图9可知，在常见跨径和主桁间距下，简支双层钢桁架梁桥的腹杆轴力要大于弦杆轴力。随着桥梁跨径的增大，弦杆和腹杆的轴力增大，桥梁跨径每增加10m，弦杆轴力增加约1100kN，腹杆轴力增加约1330kN；随着主桁间距的增大，弦杆与腹杆的轴力也在增大，主桁间距每增加5m，腹杆轴力的增加约1100kN。虽然弦杆轴力的增加与主桁间距的增加之间未表现出线性规律，但是其增幅均在600kN以下。由表4、表5、图10、图11可知，随着桥梁跨径和主桁间距的增大，简支双层钢桁架桥梁的自振频率逐渐减小，并且呈现出非线性减小的趋势。这是因为钢桁架结构的质量与刚度比值的开方随跨径和主桁间距的线性变化呈现非线性变化。

表3 结构最大轴力（不同跨径）

表4 结构一阶动力特性（不同主桁间距）

图9 结构最大轴力（不同跨径）

图10 结构自振频率（不同主桁间距）

4 结论

本文以祝塘河大桥为背景，介绍钢桁架结构的主要受力特点，通过有限元参数化分析，研究简支双层钢桁架桥梁的静动力性能，得到如下结论：第一，简支双层钢桁架桥梁，腹杆轴力大于弦杆轴力，由于腹杆长细比较小，因此影响该桥梁结构安全的控制性因素为腹杆的强度设计；第二，简支双层钢桁架桥梁，弦杆轴力与腹杆轴力随桥梁跨径和主桁间距的增大而增大，增大趋势基本表现为线性增加；第三，简支双层钢桁架桥梁，一阶振型为竖向弯曲，自振频率随跨径和主桁间距的线性变化呈现非线性变化。