蒸汽管网钢桁梁桥结构设计与分析

石若汐SHI Ruo-xi

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 工程概况

某蒸汽管网工程位于河北省沧州市渤海新区，管道规格为4 根直径（DN）600 蒸汽供热管道，管线在港务公司外跨越中钢铁路1 股道，钢桁梁桥与铁路轨面净空距离不小于12.5m，钢桁梁桥基础位置不得侵入铁路的建筑限界或铁路用地红线。

为减少施工及运营阶段对桥下铁路的影响，确保跨越铁路的安全性，并兼顾经济性，采用一孔钢桁梁桥架空敷设方式跨越中钢铁路。桥梁支承体系为1-70m 简支钢桁架梁桥，桥宽4m，桥型布置见图1。钢桁梁上部结构采用分段预制吊装拼装法施工，下部墩柱采用整体吊装法施工。

图1 钢桁梁桥桥型布置图（单位：cm）

2 1-70m 钢桁梁桥结构设计

钢桁梁主跨为70m，支座中心至梁端距离为0.5m，主桁采用N 形桁式，节间长度3.5m，主桁桁高3.8m，主桁中心距4m；上、下弦杆采用焊接箱形截面，上、下弦杆高和宽均为50cm，弦杆节间长350cm。竖腹杆均采用Φ194×8mm无缝钢管，端部竖腹杆采用箱形截面，截面高、宽均为30cm。斜腹杆采用Φ245×18mm、Φ203×14mm 无缝钢管，端部斜腹杆采用箱形截面，截面高、宽均为30cm；上、下平联横梁采用高和宽均为25cm 和20cm 箱形截面，端部平联横梁采用高30cm、宽25cm 箱形截面，纵梁采用工字钢HW 100×100×6/8。桥面小横梁采用[10 槽钢，桥面板采用6mm 厚花纹钢板。主桥墩顶设置板式橡胶支座、四氟乙烯滑板式橡胶支座。

下部结构同样采用钢桁架，桥墩采用格构式桥墩，每座桥墩共四根立柱，钢桁架桥墩立柱的横桥向中心距为4m，纵桥向中心距为2.5m，墩高均为13.8m。桥墩主肢采用焊接40×25cm 箱形断面，节间长3m，斜腹杆、平行腹杆及横撑采用Φ168×6mm 无缝钢管，顶部纵向腹杆采用Φ168×8mm 无缝钢管，下部横向腹杆采用Φ219×16mm 无缝钢管。

墩底钢-混凝土过渡段长2.5m，采用钢筋混凝土外包钢柱的形式，钢柱底采用M30 预埋地脚锚栓锚固于承台内，混凝土柱截面尺寸1.0×1.0m，钢、混凝土结合面设Φ22×120 栓钉。

承台采用钢筋混凝土结构，每座承台下设4 根钻孔灌注摩擦桩，桩径为1.0m，桩基的横桥向中心距为4m，纵桥向中心距为2.5m。根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10093-2017）中第6.3.2 条，为满足承台边缘至最外一排桩的净距要求，承台尺寸设为4.5m×6.0m×2.0m。

横断面布置见图2。

图2 钢桁梁桥横断面布置图（单位：cm）

3 钢桁梁桥上部结构计算

采用Midas Civil 建立空间有限元模型，对本桥进行受力分析时，将主桁、横梁离散为梁单元，钢桁梁桥上部结构整体模型如图3 所示。

图3 钢桁梁桥上部结构整体计算模型

在计算时，一期恒载采用构件自重并考虑1.2 的构造系数。其中，桥面［10 槽钢长4m，间距0.5m 布置，全桥共计141 根，槽钢面荷载为0.237kN/m2；6mm 桥面板长70m，宽4m，面荷载为0.554kN/m2；桥面面荷载合计0.791kN/m2。二期恒载为管道荷载及防护网荷载，管道荷载通过固定支架及滑动支架分别以竖向荷载、侧向荷载、轴向荷载的形式施加至钢桁梁节点处，防护网按2kN/m 计。

活载考虑了检修时的人群荷载4kN/m2及当地的雪荷载0.35kN/m2。

同时按《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）附录C对于风荷载做如下布置：基本风压值取100 年一遇风压值W0=0.7kPa，体形系数K1取1.3，风压高度变化系数K2取1.13，地形、地理条件系数K3取1.3，钢桁梁折减系数取0.4，考虑防护网的阻风作用应乘2.0 系数，横向风力受风面积的折减系数取0.8。在Midas Civil 中按梁单元线荷载施加在上、下平联杆件，考虑防护网风荷载竖向偏心1.303m，q=3.32kN/m。

荷载组合分为主力组合、主力+附加力组合。主力组合即组合Ⅰ：恒载+人群荷载（容许应力提高系数1.0）；主力+附加力组合包括组合Ⅱ：主力+横向风力（容许应力提高系数1.30）与组合Ⅲ：主力+温度荷载。

3.1 上部结构整体计算

首先对钢桁梁上部结构进行整体计算，表1 为运营阶段钢桁梁支座反力计算汇总，根据结构恒载、活载及实际受力情况选择相应的支座，其中，1、2 号支座选用矩形板桩式橡胶支座GBZJ400×500×69，3、4 号支座选用四氟乙烯滑动板式橡胶支座GBZJH400×500×71。

表1 运营阶段支座反力表

3.2 杆件局部检算与内力计算

本小节进一步对钢桁梁主要杆件进行局部检算及内力计算。基于杆件截面惯性矩及长细比，确定各杆件的容许应力，根据计算得到的钢桁梁各主要杆件应力，进行运营阶段杆件强度检算。各主要杆件容许应力及应力检算见表2。

表2 主要杆件应力表（MPa）

由杆件应力检算可知，在设计试算过程中应着重注意各部分杆件试算过程中应力最大的杆件，并考虑各杆件之间的联系与受力特性，必要时应予以加强，以满足钢桁架结构的安全性。

根据运营阶段钢桁梁各部分主要受力杆件在各种工况下的内力情况，考虑毛截面抵抗矩及截面折减系数等因素，按材料力学中杆件强度的计算方法分别计算杆件中心受拉应力、主平面受弯应力、偏心受压及受拉应力、剪应力等，组合得到截面换算应力及安全度列于表3。

表3 主要杆件换算应力表（MPa）

3.3 杆件疲劳强度检算

本节对钢桁梁各主要杆件的疲劳强度进行了检算，杆件的疲劳强度检算按《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10091-2017）中第4.3 节相关规定进行。疲劳计算时，只对拉-拉构件、以拉为主的拉-压构件、以压为主的拉-压构件这三种情况进行疲劳检算，当疲劳应力均为压应力时，不进行疲劳检算。疲劳强度检算仅考虑人群荷载，不考虑雪荷载，检算结果如表4 所示。

表4 主要杆件疲劳应力幅表（MPa）

3.4 钢桁梁挠度分析

通过计算分析可知，运营阶段1-70m 钢桁梁活载产生的竖向挠度为41.0mm，挠跨比为1/1707，满足桥梁挠度容许值L/500（140mm）的要求。结构竖向自振频率不作要求。

参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015），主梁结构应设置预拱度，其值采用结构自重加1/2 活载所产生的竖向挠度，并应做成圆滑曲线。梁体除考虑预拱度外还应考虑纵向排水，纵向设人字形排水纵坡，按恒载作用下保证3‰的排水纵坡设置。由于本钢桁梁桥人行荷载仅为检修荷载，因此梁体线型仅考虑恒载产生的竖向挠度和排水纵坡，恒载产生的竖向挠度为164.6mm，大于跨径的L/1600（43.75mm），故本桥设预拱度。根据计算结果可得，上、下弦杆设置的最大预拱度均位于跨中位置处，预拱度值分别为269.609mm、269.453mm，方向向上。

4 钢桁梁桥下部结构计算

4.1 钢桁架桥墩计算

采用Midas Civil 建立空间有限元模型对本桥墩进行受力分析，在进行整体计算时同样将主桁、横联离散为梁单元，桥墩模型如图4 所示。

图4 钢桁架桥墩整体计算模型

在计算时，钢桁梁梁部支座反力依据第3.1 节取值，横风水平力产生的反力为259.1kN（一孔梁一端），纵向水平力产生的反力为1269.4×0.05+120.2=183.67kN，其中一部分为支座摩阻力由恒载产生的摩阻力，系数取0.05，另一部分为管道纵向荷载产生的水平反力。

一期恒载在Midas Civil 中按构件自重考虑计入并考虑1.2 的构造系数，管道二期恒载计算结果提取支反力，按最大支反力667.3kN 考虑。风荷载强度取值为W=K1×K2×K3×W0=1.34kPa，在Midas Civil 中按梁单元线荷载施加在立柱上，纵风、横风荷载分别为q=1.07kN/m、q=0.67kN/m。

荷载组合与钢桁梁上部结构计算一致。

4.1.1 桥墩整体计算

首先对钢桁架桥墩进行整体计算，表5 为运营阶段单个桥墩墩柱底反力计算汇总。

表5 运营阶段墩柱底反力表

4.1.2 杆件局部检算与内力计算

同样，对钢桁架桥墩的主要杆件进行局部检算及内力计算。各主要杆件容许应力及应力检算见表6。

表6 主要杆件应力表（MPa）

根据钢桁架桥墩各部分主要受力杆件在各种工况下的内力情况，考虑毛截面抵抗矩及截面折减系数等因素，计算各应力组合得到截面换算应力及安全度列于表7。

表7 主要杆件换算应力表（MPa）

4.1.3 杆件疲劳强度检算

本小节对钢桁架桥墩各主要杆件的疲劳强度进行了检算，杆件的疲劳强度检算同样按《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091-2017）中第4.3 节相关规定进行，检算结果见表8。

表8 主要杆件疲劳应力幅表（MPa）

4.1.4 桥墩挠度分析

通过计算分析可知，13.8m 高钢桁架桥墩墩顶纵向水平位移23.49mm，横向水平位移16.08mm，满足《钢结构设计标准》GB50017-2017 中挠度容许值L/400（34.5mm）的要求。有关结构竖向自振频率，在此不作要求。

4.2 承台与桩基计算

承台与桩基础的计算是根据前部分钢桁架桥墩的计算进一步获得的，桥墩承受上部结构荷载并传递到承台与桩基。

4.2.1 承台计算

由于承台满足《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011 中刚性角的要求，无需单独检算，设计时按构造配筋即可。

在钢桁架桥墩模型里建立混凝土承台梁单元，将墩底4 个立柱节点与承台顶单元刚性连接，用于提取承台底反力的最大值，根据计算结果得到承台底总反力见表9。其中Midas Civil 中承台底约束采用一般弹性支撑，约束刚度矩阵通过自编程序进行计算，承台与桩基计算模型如图5所示。

表9 承台底总反力表

图5 承台与桩基计算模型

4.2.2 桩基计算

将Midas Civil 中提取的承台底最大反力值输入自编程序中，计算得到各桩顶最大反力如表10 所示。

表10 各桩顶最大反力值

根据摩擦桩穿过各土层信息，如土层容重、土层厚度、摩阻力、承载力特征值，参照规范进行摩擦桩单桩容许承载力静力计算。经计算分析，采用桩长34m 摩擦桩满足承载力要求。

5 结论

综上所述，本文对钢桁梁桥梁部、桥墩、桩基全结构进行了结构设计分析与承载力强度计算，钢桁梁桥结构承载力、应力、内力等各检算项目均符合相关设计规范要求，其安全性与稳定性均有所保证。经过上述结构设计与计算分析可知：在设计及施工、运营过程中应重视各部位应力最大的杆件，并考虑各杆件之间的联系与受力特性，必要时应予以加强，以满足钢桁架结构的安全稳固。