下承式簡支鋼桁梁橋設計要點分析

段亞軍，馬芹綱，陳多

（浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，杭州 310031）

1 引言

對于跨越航道的橋梁，為降低工程投資，選擇橋梁結構形式時采用橋面結構高度較低的結構形式，可以大大縮短引橋長度，有效地減少投資；又或是改擴建項目中的橋梁，由于種種原因要求主橋加大跨徑，原有主橋需拆除重建，為了利用原有引橋，也需選擇低橋面結構高度的主橋結構形式。對于主跨70～120m 的橋梁結構形式，鋼桁梁橋不失為一種合理橋型選擇。鋼桁梁橋具有施工速度快，便于檢測維修，橋面結構高度低等諸多優(yōu)點【1】。

2 材料

鋼材材料標準一般按照GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》或GB/T 714—2015《橋梁用結構鋼》執(zhí)行。GB/T 714—2015《橋梁用結構鋼》材料標準較GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》要求高，橋梁用鋼對有害成分的要求更高一些，沖擊韌性更好一些?？紤]到該種橋型單跨跨徑較大，可采用橋梁用結構鋼。對于主桁構件，可考慮采用高強度橋梁用鋼，如Q370qE 或Q420qE 等級鋼材，具體應根據(jù)計算情況綜合選定鋼材等級。

考慮到橋面系檢查困難，設置檢修小車使用不便，橋面系縱橫梁可采用耐候鋼。耐候鋼較同等鋼材略貴，但耐候鋼免涂裝，其全壽命周期的經(jīng)濟性更高，在不便養(yǎng)護的情況下是一種更優(yōu)的選擇。盡管耐候鋼的焊接較普通合金鋼難度稍大，需要采用專門的焊材，但對于較大的鋼結構加工廠，這些問題均能解決。

3 構造

3.1 主桁架形狀

主桁架是鋼桁梁橋的主要組成部分，它的形狀選擇對鋼桁梁橋的設計質量起著重要作用。常見的有4 種。

3.1.1 三角形桁架

由斜腹桿與弦桿組成等腰三角形的桁架稱為三角形桁架，有帶豎桿和不帶豎桿2 種形式。它是目前應用最廣的一種桁架形式，適用于各種跨度的橋。其主要優(yōu)點是：弦桿的規(guī)格和有斜桿交匯的大節(jié)點個數(shù)比較少；構造相對簡單，適應鋼桁架橋設計定型化，便于制造和安裝。

3.1.2 斜桿形桁架

相鄰斜桿互相平行的桁架稱為斜桿形桁架。他與三角形桁架相比，其弦桿規(guī)格多，每個節(jié)間都有變化；豎桿不僅規(guī)格多，而且內力大，所有節(jié)點都有斜桿交匯，均為大節(jié)點。因此，在構造及用鋼量方面不及三角形桁架優(yōu)越。

3.1.3 K 形桁架

斜桿與豎桿構成K 字形的桁架稱為K 形桁架。由于主桁架同一節(jié)間內的剪力由2 根斜桿分擔，其斜桿截面較上述2種類型要小。但這種桁架的桿件規(guī)格多，節(jié)點多，節(jié)間短，縱、橫梁的桿件和連接較多，用于中小跨度時，構造顯得復雜，在大跨度橋上可采用。

3.1.4 雙重腹桿形桁架

雙重腹桿形桁架是由2 個不帶豎桿的三角形桁架疊合而成。斜桿只承受節(jié)間剪力的一半，桿件短、截面小，若用于大跨度梁，受壓斜桿短，對壓屈穩(wěn)定有利。我國大跨度鋼桁梁多采用帶輔助豎桿的雙重腹桿形桁架，如武漢長江大橋和南京長江大橋。

各種主桁架形狀比較見表1。

表1 各種主桁架形狀比較表

3.2 主桁架高度

在主桁架跨度確定的條件下，桁架高度由用鋼量、剛度等要求來確定。顯然，主桁架高度直接影響用鋼量，主桁越高，上、下弦桿受力越小，弦桿用鋼量較少，但造成腹桿較長，腹桿的用鋼量增加；反之，桁高較小時，腹桿用鋼量較少但弦桿用鋼量增加?？梢姡侠淼闹麒旒芨叨葘a(chǎn)生經(jīng)濟的用鋼量。

JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》規(guī)定，簡支鋼桁梁靜活載擾度不能大于其跨度的1/500。主桁高度對鋼梁橋墩撓度影響很大，擬定主桁高度后，再對撓度進行試算。下承式桁架應保證凈空要求，公路限界高度一般不小于5m。下承式鋼桁梁主桁架高度還應考慮橋面、橋面系以及橫聯(lián)、門架所占結構高度。

3.3 節(jié)間長度

節(jié)間長度決定腹桿數(shù)量，斜桿傾角則影響腹桿用鋼量和節(jié)點構造。太小的節(jié)間長度將導致傾角過大，腹桿數(shù)量增多，節(jié)點尺寸增大；太大的節(jié)間長度則導致傾角過小，腹桿長度變大。過大或過小的傾角都將導致斜桿端部無法伸入節(jié)點中心，節(jié)點板變長或變高，使得節(jié)點板平面外剛度變差?，F(xiàn)在，我國無論是鋼材性能還是加工、制造設備能力都有了大幅度提高，大跨度桁梁節(jié)間長度可達10～15m。

3.4 上下平聯(lián)

上下平聯(lián)主要為增強結構總體剛度，考慮到上平縱聯(lián)的設置導致構件多，行車壓抑，而且養(yǎng)護難度大。建議采用一字型風撐或K 撐。

2012 年建成的日本東京京門大橋是日本現(xiàn)代大跨鋼桁架橋梁典型代表。該橋跨徑為160m+440m+160m，橋下是東京港的航路，航道寬310m，高52.5m。對比日本早期、近期的鋼桁架橋可以看出，新建的京門橋采用了一字風撐、大尺寸桿件、等間距布置，配以創(chuàng)新的結構外形設計，使古老桁架橋型煥發(fā)了青春，該橋已成為東京的新標志、新名勝，受到越來越多的關注。

3.5 結構體系

收集公路系統(tǒng)的資料，主桁架采用的三角形桁架可以分為如下3 種形式。

3.5.1 體系一：帶豎桿三角形桁架

帶豎桿的三角形桁架，其節(jié)間數(shù)必為偶數(shù)，節(jié)點分為大節(jié)點和小節(jié)點。

帶豎桿三角桁橋面系采用縱橫梁體系，橫梁分為大小橫梁，橫梁間距6m 左右，縱梁間距4m 左右，橋面板為雙向板。

體系一的優(yōu)點：小橫梁處增加了豎桿，橋面系荷載通過橫梁直接傳遞給豎桿，弦桿主要承受軸力，承受的彎矩和扭矩很小，主桁架受力明確、簡單。缺點是增加了豎桿，桿件多，通透性差；其節(jié)間數(shù)必為偶數(shù)，無法增加或縮減單個節(jié)間，通用性不好；節(jié)點種類多。

3.5.2 體系二：帶小橫梁的無豎桿三角形桁架

帶小橫梁的無豎桿三角形桁架，其節(jié)間數(shù)可為奇數(shù)，也可為偶數(shù)，節(jié)點均為大節(jié)點。

圖1 為無豎桿三角形桁架橋面系典型布置方式，采用縱橫梁體系，橫梁分為大小橫梁，橫梁間距3m 左右，橋面板按縱向單向板設計，縱梁間距8m 左右，主要防止橫梁側向失穩(wěn)。

圖1 無豎桿三角形桁架（密橫梁）平面

體系二的優(yōu)點：取消了豎桿，桿件種類少，通透性好；其節(jié)間數(shù)可奇可偶，可增加或縮減單個節(jié)間，通用性好；節(jié)點種類少。缺點：將節(jié)間的小橫梁加密，橋面系荷載通過小橫梁直接傳遞給弦桿，弦桿既受拉，又受彎矩和扭矩，主桁受力復雜；對應小橫梁處的弦桿內需要設置加勁板，加工制作較為麻煩。

3.5.3 體系三：不帶小橫梁的無豎桿三角形桁架

不帶小橫梁的無豎桿三角形桁架，其節(jié)間數(shù)可為奇數(shù)，也可為偶數(shù)，節(jié)點均為大節(jié)點。

無豎桿三角形桁架橋面系采用縱橫梁體系，橫梁均為大橫梁，僅在大節(jié)點處設計橫梁，橫梁間距10m 左右，橋面板按橫向單向板設計，縱梁間距2.5m 左右，橋面荷載通過縱梁傳遞給橫梁，再傳遞給主桁架。

體系三的優(yōu)點：取消了豎桿，桿件種類少，通透性好；其節(jié)間數(shù)可奇可偶，可增加或縮減單個節(jié)間，通用性好；節(jié)點種類少；橋面系荷載通過橫梁直接傳遞給豎桿，弦桿主要承受軸力，承受的彎矩和扭矩很小，主桁架受力明確、簡單。缺點：縱梁較多，橫梁受力較大，縱橫梁體系用鋼量較大。

三角形桁架3 種體系比較見表2。

3.6 橋面結構

下承式鋼桁梁橋面常見形式有以下2 種。

3.6.1 混凝土橋面

混凝土橋面板安裝在縱、橫梁上，承擔橋面二期恒載及汽車活載，可以參與主桁架整體作用。

3.6.2 正交異性板鋼橋面

正交異性鋼橋面與主桁架下弦桿聯(lián)結，不僅參與主桁架整體受力，同時也參與車輛活載局部作用。橋面鋼板與主桁架下弦桿頂面連接，縱向設置加勁肋。

表2 三角形桁架3 種體系比較表

這2 種橋面結構都能滿足使用功能要求，技術上都比較成熟。對于混凝土橋面板，也有2 種結構形式。體系一：混凝土橋面板僅與縱橫梁結合，僅承受自重和車輛荷載，不與下弦桿結合，不參與結構主體受力，受力簡單。體系二：下弦桿上翼緣板外挑（或下弦桿腹板外側設一挑臂），挑臂上布置剪力釘，用于與橋面板結合，使得下弦桿成為同時承受拉彎扭作用的桿件，橋面板參與結構整體受力。

4 結語

本文系統(tǒng)闡述了下承式簡支鋼桁梁橋設計中的關鍵技術，對下承式簡支鋼桁梁橋的材料及各種構造進行了系統(tǒng)分析。對于主跨70～120m 的范圍內橋梁結構形式，可供選擇的橋型有預應力混凝土連續(xù)梁橋、系桿拱橋和鋼桁架橋。預應力混凝土連續(xù)梁橋設計、施工經(jīng)驗均很成熟，難度小、風險低，是較為理想的橋型；但其結構高度高，以主跨80m 為例，其結構高度約5m，比鋼桁架橋結構高度高出3m 左右，引橋長度大大加長。下承式系桿拱橋由于其建筑結構高度低的特點，可以大大減少兩側引橋長度，顯著降低工程造價。但由于拱肋一般采用鋼管混凝土結構，混凝土很難灌注密實，且檢測、維修難度大，再加上吊索錨頭銹蝕的問題一直未得到有效解決，近年來采用系桿拱橋已越來越少。鋼桁架橋工廠制造，現(xiàn)場拼裝，施工速度快【2】，便于檢測維修，由于結構高度低，無論是新建或改擴建橋梁，下承式簡支鋼桁梁橋均應用廣泛。