雙層鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

韓忠磊，林康

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)自重較小，具有剛度較大、跨越能力強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在城市道路工程中得以廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

遵義市鳳新快線工程是遵義市中心城區(qū)核心區(qū)的東西向快速交通走廊，連接中心城區(qū)核心區(qū)與新蒲新區(qū)，服務(wù)于老城區(qū)、丁字口片區(qū)、中華路片區(qū)、環(huán)城路片區(qū)等中心城區(qū)核心區(qū)域，對(duì)城市發(fā)展起重要支撐作用。該工程西起遵義市公交公司，東至禮儀新城，全長約3.7km。

橋梁主橋采用雙層鋼桁架連續(xù)梁，設(shè)計(jì)荷載為城市-A級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)斷面寬31m，上下兩層橋面均設(shè)置雙向六車道；設(shè)計(jì)速度為60km/h；橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年；防腐年限為20年；抗震設(shè)防烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，場地類型為Ⅱ類。

2 鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 鋼桁架結(jié)構(gòu)概述

遵義市鳳新快線工程橋梁主橋?yàn)槿邕B續(xù)雙層鋼桁架橋，道路中心線處跨徑為46.667m+92.564m+80.769m=220m，上下兩層橋面縱坡均為0.3%，橫坡均為雙向1.5%。鋼桁架橋由主桁架、主橫桁架組成。主桁架采用腹桿均為斜桿的Warren式桁架體系，橋梁全寬32.32m。橫橋向設(shè)置3片桁架梁，即在橋梁兩側(cè)和中央分隔帶設(shè)置主桁架，兩主桁中心距15.5m，主桁桁高13.006m。

橋面系為正交異性鋼橋面板。橋面板厚16mm，U肋尺寸為320×240×8mm，U肋標(biāo)準(zhǔn)間距620mm。橫梁間距為桁架節(jié)點(diǎn)間距，約為12m。在橫梁之間設(shè)4道橫肋，橫肋間隔約為2.4m。鋼桁架橋結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 桁架橋結(jié)構(gòu)形式（單位：m）

2.2 鋼桁架主要材料參數(shù)

鋼桁架橋橋梁主體結(jié)構(gòu)采用Q390D，部分附屬結(jié)構(gòu)采用Q235C，所有鋼材性能均符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2008）的要求：彈性模量E＝2.06×105MPa，剪切模量G=0.88×105MPa。

2.3 鋼桁架計(jì)算荷載

（1）自重：結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)入，主桁架焊縫、拼接板、節(jié)點(diǎn)板、橋面系，桁架間橫向連接系的焊縫重按自重的15%計(jì)入橋面系。

（2）二期恒載，根據(jù)實(shí)際情況計(jì)入：①橋面鋪裝（7cm澆筑式瀝青鋪裝）：1.61kN/m2；②橋面防撞墻（單側(cè)面荷載，共兩側(cè)）：6kN；③人行道結(jié)構(gòu)（單側(cè)面荷載，共兩側(cè)）：3kN。④中央分隔帶綠化荷載：18kN/m。

（3）活載：①城市A級(jí)，六車道；②人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）取值。

（4）溫度：最高溫度為40.0℃，最低溫度為-25℃，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度為-25～40℃。

（5）風(fēng)力：考慮橫向靜風(fēng)荷載作用。

2.4 鋼桁架靜力分析工況及計(jì)算內(nèi)容

（1）鋼桁架靜力分析主要工況：①恒載；②恒載+活載（車道荷載+人群）；③恒載+活載（車道荷載+人群）+溫升+風(fēng)荷載；④恒載+活載（車道荷載+人群）+溫降+風(fēng)荷載；⑤疲勞I荷載；⑥恒載+1/2車道荷載。

（2）鋼桁架主要計(jì)算內(nèi)容：①承載力能力極限狀態(tài)下主桁桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算；②主桁桿件疲勞計(jì)算；③承載力能力極限狀態(tài)下正交異性鋼橋面應(yīng)力計(jì)算；④支座計(jì)算等。

2.5 鋼桁架分析模型構(gòu)建

全橋靜力分析采用線彈性空間分析法，應(yīng)用Midas Civil 2012軟件建模計(jì)算。主桁、橫梁、橫肋、下平聯(lián)等各桿件采用空間梁單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有6個(gè)自由度；橋面板采用板單元模擬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有6個(gè)自由度。結(jié)構(gòu)的三維模型及弦桿截面分別見圖2和圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 弦桿截面

2.6 橋梁風(fēng)荷載參數(shù)

本工程橋梁結(jié)構(gòu)具有“跨度較大、橋面較寬”的特點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)抗風(fēng)打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，該橋具有“輕質(zhì)、弱阻尼”的特點(diǎn)，為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，需對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力進(jìn)行驗(yàn)算。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60—01—2004）的附錄A《全國基本風(fēng)速值和基本風(fēng)速分布圖》，遵義地區(qū)地面以上10m高度，100年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速V=24.9m/s。本橋位于遵義市內(nèi)，因此取設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=24.9m/s。

3 鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3.1 鋼桁架結(jié)構(gòu)位移分析

3.3.1 恒載作用下橋梁位移

在進(jìn)行恒載作用下的位移計(jì)算時(shí)，考慮荷載工況為鋼結(jié)構(gòu)自重和二期恒載。此時(shí)恒載作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。恒載作用下全橋豎向位移見圖4。

圖4 恒載作用下全橋豎向位移（最大44.5mm）

3.3.2 風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)橫向位移

在進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的位移計(jì)算時(shí)，考慮荷載工況：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為24.9 m/s的橫向靜風(fēng)荷載。此時(shí)風(fēng)荷載作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)取1.0，經(jīng)計(jì)算，風(fēng)荷載作用下橫向位移最大值為2.2mm。

3.3.3 活載作用下豎向撓度限值計(jì)算

參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）中第4.2.3條規(guī)定，連續(xù)桁架梁在汽車車道荷載頻遇值（頻遇系數(shù)1.0）作用下的豎向撓度限值為L/500，其中L為計(jì)算跨徑。本橋最大跨的計(jì)算跨徑為92.564m，本橋最大跨豎向撓度限值為92.564/500m=0.185m=185mm。經(jīng)計(jì)算，汽車車道荷載頻遇值作用下鋼桁架橋的最大撓度為21.5mm，小于限值，滿足規(guī)范要求。

3.3.4 恒載+1/2車道荷載作用下結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）中第4.2.4條規(guī)定，鋼橋的預(yù)拱度設(shè)置宜按照結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值加1/2車道荷載頻遇值（頻遇系數(shù)1.0）所產(chǎn)生的撓度進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)計(jì)算，恒載+1/2車道荷載作用下全橋豎向位移最大值為74mm，需設(shè)置預(yù)拱度，跨中設(shè)置74mm向上預(yù)拱度。預(yù)拱度設(shè)置見圖5。

圖5 預(yù)拱度設(shè)置圖

3.4 桁架桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于主桁桿件，均按照拉/壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度檢算，并記入局部穩(wěn)定性影響。同時(shí)，對(duì)壓彎構(gòu)件進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，具體可參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）的相關(guān)規(guī)定。

3.4.1 桿件強(qiáng)度計(jì)算

桿件強(qiáng)度計(jì)算包含上弦桿強(qiáng)度計(jì)算、下弦桿強(qiáng)度計(jì)算、腹桿強(qiáng)度計(jì)算、端橫梁強(qiáng)度計(jì)算、端部受壓柱強(qiáng)度計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，各桿件強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

3.4.2 桿件穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)上弦桿、下弦桿、腹桿及端部受壓柱的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各桿件穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.5 正交異性鋼橋面應(yīng)力計(jì)算

參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015），對(duì)正交異性鋼橋面關(guān)鍵細(xì)節(jié)處承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，正交異性鋼橋面應(yīng)力（見表1、表2）均滿足規(guī)范要求。

表1 正交異性鋼橋面上橋面應(yīng)力匯總表

表2 正交異性鋼橋面下橋面應(yīng)力匯總表

3.6 桁架構(gòu)件疲勞計(jì)算

本橋施工規(guī)模較大，對(duì)于主體構(gòu)件，恒載引起的應(yīng)力明顯大于汽車荷載引起的應(yīng)力，而且連接處采用栓接而非焊接，抗疲勞性能較好，故疲勞設(shè)計(jì)僅針對(duì)橋面系。橋面系的抗疲勞設(shè)計(jì)則根據(jù)同樣規(guī)格參數(shù)橋面板的實(shí)際情況，因此桁架構(gòu)件滿足抗疲勞要求。

3.7 支座反力

本橋采用球形支座，支座在所有組合下均滿足要求，其布置如圖6所示。

圖6 支座布置圖

4 結(jié)語

綜上所述，本工程通過構(gòu)建橋梁有限元模型，對(duì)鋼桁架橋梁的空間結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)主桿件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。不過，后期仍需加強(qiáng)檢測與管理工作，延長橋梁的安全使用壽命。