某钢桁天桥设计与施工方法探索

陈 璨

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

钢桁架结构具有跨越能力强、承载能力高、施工标准化程度高、施工周期短、速度快、耐久性能好、造型美观等优点。尤其是近年来我国炼钢水平的提高，国产桥梁用钢品质已经完全满足结构安全的需要，且随着钢结构防腐技术的提高，钢结构造价已经完全到了可以接受的范围内，本着这些优点，钢桁架结构在城市及景区天桥中设计应用中越来越多[1-3]。

1 工程概况

桥位位于一风景区内，风景区被国道一分为二，为保障两块游园的游客能够安全便捷地通行，拟在国道上架设天桥一座，一跨跨越国道，规划国道宽度为50 m。

1.1 桥梁设计标准

a）桥梁结构设计基准期 100年。

b）桥面宽度 桥面净宽为4 m，栏杆宽度为2×0.25 m。

c）桥下净空控制高度 大于等于5.5 m。

d）设计荷载等级 按城-B级汽车荷载计算。

e）设计人群荷载 3.5 kN/m2。

1.2 桥梁设计原则

a）在满足功能要求的前提下合理优化桥梁布置，尽可能在节约造价的情况下满足景观桥梁对美观的要求。

b）桥梁设计方案总体构思，应突出景观天桥的效果，通过合适跨径及材料、施工方案的选择，达到既经济又美观的效果。

c）制定合理的施工方案，尽量降低施工费用，减小对已有道路和环境的干扰。

由于本桥位地形限制，上部桥梁结构形式确定为梁式桥。主要比选T梁、钢箱梁、钢桁梁3种结构形式。由于单跨径超过50 m，且钢箱梁现场施工焊接存在施工风险因素，故该天桥上部结构采用简支钢桁架结构。

2 钢桁架结构尺寸的确定

2.1 主桁

主桁采用带竖杆的华伦式三角形腹杆体系。根据《现代钢桥》中有关钢桁架部分叙述为：下承式桁架的节间长度一般为 6～10 m； 主桁高度为（1/7～1/10）L，L 为桥梁跨径[3]，但由于天桥活荷载较小，高跨比值可适当降低；带竖杆的桁架的合理倾角为50°左右。取大节间长度8 m，共7个节间，上部桁架共长56 m，主桁高度5 m，高跨比为1/11.2。两片主桁主心距采用5.3 m，宽跨比为1/10.57，桥面宽度4.5 m。

图1 主桁结构示意图（单位：m）

主桁上下弦杆均采用焊接H形截面，截面宽度420 mm，高度均为400 mm，翼缘板厚20 mm，腹板厚12 mm，工厂焊接，在工地通过高强螺栓在节点内拼接。腹杆均采用焊接H形截面，截面宽度260 mm，高度均为400 mm，最大板厚14 mm。

2.2 桥面系

桥面系为下横梁+小纵梁+上面的桥面板结合而成，其钢梁部分仍采用纵横梁体系。本设计横梁高514 mm，为焊接倒T字形截面，与主桁在节点上通过高强螺栓连接；小纵梁高284 mm，也采用焊接T字形截面；下横梁上缘与小纵梁上缘齐平，通过腹板与下翼缘焊接与下横梁连为一体；小纵梁在每个节段中间通过拼接板使相邻小纵梁连为一体横向每0.9 m设置一道；桥面板采用钢板，板厚16 mm，通过焊接与横梁、纵梁相连。

2.3 上平面纵向联结系

上平面纵向联结系均采用双X形式，与弦杆在节点处相连，以抵抗横向风荷载、竖向荷载及弦杆变形等产生的内力，在桁梁两端斜杆所在的斜平面设置桥门架，上弦每两个节点处设一道横向联结系。

3 钢桁架结构计算分析

结构建模采用空间有限元计算软件Midas Civil，建立三维计算模型。由于主桁杆件采用高强螺栓连接，节点的杆件之间无相对转角产生，因此节点采用刚接模拟。有限元模型如图2。

图2 有限元模型

3.1 主桁杆件应力

建立两个组合，考察桁架在恒、活载共同作用下的受力性能。

a）组合1 1.0恒载+1.0人群活载+1.0整体升（降）温+1.0风荷载；

b）组合2 1.0恒载+1.0汽车活载+1.0整体升（降）温+1.0风荷载。

应力结果如表1所示。

表1 桁架杆件恒活载下最大应力 MPa

经过比较表1中组合1和组合2，组合2即汽车荷载组合的应力较大。根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—86）1.2.5条，Q345钢材的受拉允许应力为200 MPa，受压允许应力在200 MPa的基础上乘以稳定折减系数ψ，根据计算各个杆件的长细比均在30以内，因此折减系数ψ=0.9，于是受压允许应力为180 MPa[4-5]。

3.2 桥面系应力

3.2.1 小纵梁应力

小纵梁与桥面板、横梁焊接连接形成正交异性板，钢桥面板的有效宽度偏安全考虑与下翼缘宽度相同。小纵梁与横梁焊接连接，为简化计算，取小纵梁与横梁铰接，取小纵梁计算杆件为14 mm厚翼缘板和12 mm厚腹板组成的“工”字形截面建立有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

按照上述模型计算小纵梁在汽车组合2作用下，最大拉、压应力均为35.9 MPa，满足应力要求。

3.2.2 下横梁应力

下横梁与桥面板焊接连接形成正交异性板，钢桥面板的有效宽度偏安全考虑与下翼缘宽度相同。小纵梁与横梁焊接连接，为简化计算，取下横梁与主桁杆件铰接，取下横梁计算杆件为20 mm厚翼缘板和20 mm厚腹板组成的“工”字形截面建立有限元模型，计算结果如图4所示。

图4 下横梁轴向压应力（单位：MPa）

下横梁轴向压应力最大为74.4 MPa，满足应力要求。

3.3 挠度

按照上述索取杆件截面积，建立图2计算模型，在人群荷载及城-B荷载作用下，跨中最大下挠分别为19.7 mm、29.3 mm，满足规范刚度要求。

4 施工步骤

4.1 步骤一

a）开挖山体至规划道路地面标高[6]。

b）工厂制作主桁杆件，并在工厂进行预拼装。

c）完成柱基础、桥台的施工。

图5 施工步骤一

4.2 步骤二

a）平整场地，完成施工平台的搭设。

b）施工平台搭设注意预拱度的设置。

c）预留两个通行孔道，孔道大小根据实际情况确定。

d）安装主桁杆件。

e）桥面板安装。

图6 施工步骤二

4.3 步骤三

a）全桥施工完成后，拆除施工平台。

b）完成附属结构的施工。

c）完善全桥防腐措施。

d）后期运营。

图7 施工步骤三

5 结论

a）钢桁架结构以其本身固有的跨越能力大、施工期短、承载能力高等优点适用于城市及景区天桥。

b）主桁结构尺寸可以按照结构整体计算模型确定，对小纵梁及横梁尺寸可以单取一根梁按简支结构进行最不利计算，从本例中可以看出是可行的。

c）对于简支钢桁架天桥施工方法应采用工厂预制，现场支架拼装对于保通道路也是可行的。