淺談鋼桁架橋與其極限承載力的研究

姜雁凌

(沈陽碩泰工程機械有限公司，遼寧 沈陽 110141)

隨著我國冶鋼技術和防腐技術的發(fā)展與進步，我國開始越來越多的采用鋼結構橋的橋梁設計方案，鋼桁架橋就是鋼結構橋的一種，它以其結構穩(wěn)定、架設靈活等優(yōu)點成為橋梁選型的首選橋型之一。下面我們主要通過對其結構和性能以及在其極限承載力和設計要點對其進行介紹。

1.鋼桁架橋

鋼桁架橋就是以鋼桁架形式建造的橋。桁架一般是用鋼鐵材質焊接成的框架式結構，由主管、副管、斜管等構件焊接而成，這種橋可以充分利用材料強度和三角形結構的優(yōu)勢，且布置靈活，下面我們就從這類橋的使用環(huán)境和特點出發(fā)，對其做以簡要的介紹。

1.1 鋼桁架橋的使用環(huán)境

鋼桁架橋以其優(yōu)點可在許多方面作為首選建設橋型，下面我們就從以下三個方面來介紹其使用環(huán)境。

(1)可以用在對建設高度有要求的環(huán)境中

由于鋼桁架橋的結構中，主桁主要由拉桿和壓桿構成，故其對桿件截面的抗彎剛度要求不高，橋的建筑高度可由其橫梁控制。當橋的寬度適中時，采用鋼桁架橋可極大的降低橋梁的建設高度，故可以用在對建設高度有要求的環(huán)境中。

(2)可以用在對橋梁施工周期和速度有要求的環(huán)境中

由于鋼桁架橋的主要結構是鋼架，所以可在工廠進行成品桿件制作，之后運到現場進行拼裝焊接，這可以很大程度上縮短橋梁的建設周期，這使它比較適合工程工期較緊的橋型選擇。

(3)可以用在對結構安全性較高的環(huán)境中

由于鋼桁架橋的主材為鋼，是延性較好的材料，且其結構安全性高于混凝土。加之鋼結構防腐技術的提高，使鋼桁架橋的耐久性也大為提高，成為結構安全性較高的橋型選擇之一。正因為鋼桁架橋梁的這幾方面的優(yōu)點，桁架橋梁成為特定條件下的經濟而合理的橋型選擇。

1.2 鋼桁橋的特點

與非鋼結構的橋梁相比，鋼桁架橋具有與鋼結構橋相同的優(yōu)點，即具有橋梁跨越能力強、承載能力強、耐久性好、施工速度快的優(yōu)點，常被作為很多情況下的首選橋型。但是，由于過去鋼材及其成品的養(yǎng)護費用價格較高，鋼桁架橋那時在我國公路領域使用得較少。而隨著我國煉鋼水平的提高進步，國產鋼材的品質已經可以滿足橋梁結構安全的需要，這使得鋼桁架橋越來越多的出現在公路工程領域。

與其他鋼結構橋梁相比，鋼桁架橋與連續(xù)梁、系桿拱、矮塔斜拉橋等鋼結構橋梁進行比較，它雖然建筑成本略高，但卻具有剛度大、穩(wěn)定性和抗震性好的優(yōu)點。

2.鋼桁架橋的極限承載力

2.1 極限承載力

極限承載力就是結構完全崩潰時或結構所能承受的最大載荷。極限承載力的大小與許多因素相關，如：結構的材料特性(材料的極限強度、應力應變關系等)、結構和構件的剛度及幾何尺寸(結構的面積、慣矩等)、結構所處的狀態(tài)(施工階段、運營階段等)、結構承受的載荷形式(恒定載荷、組合載荷等)等。

2.2 鋼桁橋的極限承載力

研究鋼桁橋的極限承載力，我們就以其結構特點結合極限承載力的影響要素來進行分析。通過現有的鋼桁架橋經驗分析我們不難發(fā)現，鋼桁架橋的極限承載力與以下幾個因素相關。

(1)邊界條件

不同的邊界條件直接影響著橋肋的力學性能。以鋼桁拱橋為例，我們取三種不同的邊界條件來研究鋼桁架拱橋的極限承載力。邊界條件I：兩側拱腳固接;邊界條件II：兩側拱腳鉸接;邊界條件III：拱腳一側鉸接，另一側滑動。不同的邊界條件導致了橋梁極限承載力的不同，當采用上承式拱橋時，采用拱腳固接的邊界條件可使橋梁的極限承載力較大;當采用中承式連續(xù)拱梁組合體系時，采用拱腳一側鉸接，另一側滑動的形式可使橋梁的極限承載力較大。由此可見邊界條件影響著鋼桁架橋的極限承載力。

(2)結構拼裝的幾何缺陷

鋼桁架橋在架設過程中，多采用拼裝的施工方法，拼接節(jié)點較多，使其容易產生幾何誤差，使結構剛度發(fā)生變化，影響橋梁的承載能力和極限承載力。經研究發(fā)現相對較小的初始幾何缺陷對結構承載力影響較小，可以忽略不計，所以在拼裝設計橋梁的過程中要將幾何缺陷控制到一定范圍內，以減小對極限承載力的影響。

(3)荷載要素

在實際結構施工過程中還需要考慮均布荷載、溫度荷載和橫向風荷載等荷載要素對承載力的影響。

①均布荷載。無論是結構面內還是面外，非對稱荷載相對于對稱荷載，都會使橋梁的極限承載能力降低。

②溫度荷載。溫度荷載對極限承載力的作用與對結構施加一定的初應力及初始變形相類似，都是導致結構的剛度發(fā)生變化，從而對橋梁的極限承載能力產生影響。

③橫向風荷載。橫向風荷載易使橋梁面外的梁柱效應特別顯著，進而易發(fā)生相互耦合的空間失穩(wěn)，造成了結構承載能力的降低。

3.鋼桁橋的在設計、施工過程中的注意事項

在對鋼桁架橋進行結構設計時，有許多注意事項，下面我們就以主橋為下承式鋼桁架結構為例，對桁架橋的主桁和橋面系在設計和施工過程中的注意事項作以簡略介紹。

3.1 主桁的注意事項

主桁易采用帶豎桿的華倫式三角形腹桿體系，主桁上下弦桿均采用箱形截面。施工過程中采用在工廠焊接，在工地通過高強度螺栓在節(jié)點拼接的方法完成。其端斜桿應采用箱形截面以增加面內外剛度，其余腹桿采用焊接H形截面的結構形式。

3.2 橋面系的注意事項

橋面系應為聯合梁，由下面的鋼梁和上面的橋面板結合而成，其鋼梁部分要采用縱橫梁體系，采用工字形截面。拼裝時要與主桁在節(jié)點上通過高強螺栓連接。縱梁采用工字形截面，其上翼緣要與橫梁上翼緣的底面齊平，拼裝時要在縱梁腹板上通過角鋼與橫梁腹板相連。

通過上面我們對鋼桁架橋特點、極限承載力和設計施工要點的介紹，使我們對其有了大致的了解。希望可以對鋼桁架橋的研究初學者提供參考依據。