不老河大桥简支钢桁架主桥上部结构总体设计

张灿华，刘樊程

(徐州市交通规划设计研究院 徐州市 221006)

简支钢桁架桥其优美的造型、高强的跨越能力、良好的经济性和环保型，使得简支钢桁架桥不仅在铁路桥梁中应用广泛，如今在公路及城市桥梁中的应用也越来越多，伴随着防腐涂装技术的发展，更推动着这一桥型的普及推广。

1 项目概况

某项目建设工程跨越不老河，路线与不老河右偏角为87.3°，该处不老河为二级航道,最高通航水位29.43m，最低通航水位25.83m，通航净空为70×7m。本桥主桥采用1-81.5m简支钢桁架桥一孔跨越通航水域，主桥为等高钢桁架，主梁为三角桁架，横向采用两片主桁结构，主桁中心距27.5m，标准节间距10.0m；桥梁引桥采用30m预应力混凝土箱梁，全桥跨径组合为2×(3×30)m+81.5m+2×(3×30)m，桥梁全长449.86m，桥梁下部结构主桥采用柱式墩，群桩基础，引桥采用柱式墩、台，钻孔灌注桩基础。

不老河大桥平面位于直线段内，竖曲线为凸曲线，半径为R=6500m，纵坡为2.5%，变坡点最高点位于不老河航道中心线处。

2 构件设计要点

2.1 主桁

主桁采用不带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，节间长度10.0m，主桁上弦采用直线形，主桁高度10.5m；两片主桁中心距为27.5m，桥面宽26m；主桁上、下弦杆采用箱形截面，上下弦杆均采用焊接整体节点，在工厂内将杆件和节点板、各连接件的接头板焊成一体，运到工地工厂架设时，在工地通过高强螺栓在节点之外拼接。弦杆截面内宽700mm，内高700mm，其中竖板分为20、30、40、50mm四种，水平板厚分为20、30、40、50mm，为与混凝土板结合，下弦杆水平板伸出300mm，竖板伸出250mm，弦杆采用高强度螺栓四面对拼连接方式。

主桁端斜杆采用箱形截面，截面尺寸同上下弦杆，竖板厚40mm，水平板厚40mm；第2、3、4#腹板采用箱形截面，截面内高均为700mm，竖板及水平板板厚均为30mm。其余斜腹杆采用H型截面，截面高度均为700mm，竖板板厚度18mm，水平板厚度24mm。箱形腹杆采用插入节点板四面连接方式，H形腹板均采用插入节点板两面连接方式。

2.2 预拱度

桥址处路线纵断面为双向2.5%纵坡，竖曲线半径R=6500m，主桥钢桁梁根据路线纵断面及恒载+1/2活载挠度反向值叠加进行预拱度的设置，钢梁竖曲线通过设置预拱度和局部调整铺装层厚度综合实现。

钢桁梁结构的起拱，采用下弦节点长度不变，伸长或缩短上弦节间长度的方法实现。

2.3 联结系

桥梁在上弦设置上平联。上平联采用K形，由斜杆和横向撑组成，斜杆与横撑均为工字形截面，截面高度均为500mm，宽度均为500mm。

2.4 桥面纵、横梁结构

桥面纵梁标准跨径为10.0m，主梁横向共设置9道纵梁，纵梁横向间距3m，全桥纵梁共分为标准纵梁及端纵梁两种类型。

在下弦每个节点处设置横梁，纵梁支撑在横梁上，中横梁采用工字型截面，梁高1.2～2.455m，横梁顶设双向2.0%横梁，横梁顶板与下弦杆伸出顶板焊接，腹板及底板与节点伸长板件均采用螺栓连接，横梁腹板上设竖向加劲肋。中横梁顶板宽600mm、厚50mm，底板宽1000mm、厚50mm，腹板厚32mm。

端横梁采用箱形截面，高度为1.2～2.455m，内宽为1240mm，横梁顶设双向2.0%横坡，横梁顶板与下弦杆伸出顶板焊接，腹板及底板均采用螺栓连接，横梁腹板上设竖向加劲肋，端横梁顶、底板宽2080mm，厚均为50mm，腹板厚度20mm。

纵梁为工字型截面，梁高为800mm，顶板宽500mm、厚20mm，底板宽400mm、厚24m，腹板厚14mm。

纵梁与横梁相交处，纵梁底板穿过开孔横梁腹板。

3 结构计算分析

3.1 计算模型

采用MIDAS三维空间有限元软件进行全桥静力分析，验算结构在承载能力极限状态下各构件的受力状况及正常使用状况下的挠度；并对全桥进行动力特性计算，同时分析结构自振频率和振型。

静力分析模型中，主桁、平联、桥门架等单元均采用梁单元模拟，桥面板、铺装和护栏等作为荷载模拟，全桥共划分节点数量151个，梁单元数量296个；动力特性分析模型中，桥面板采用板单元模拟，其余杆件采用梁单元模拟，铺装和护栏等作为荷载模拟，全桥共划分节点数量151个，梁单元数量296个，板单元数量80个。

图2 主桥计算模型

3.2 相关参数

(1)恒载

一期恒载：按构件实际断面计入。

二期恒载：桥面板、桥面铺装、防撞护栏等。

(2)活载

汽车荷载等级为公路-I级，横桥向按4车道考虑。

(3)温度荷载

设计温度：假定合龙温度为20℃。

主桥所在区域为寒冷地区，参照规范整体升降温取±30℃。梯度温度按照《公路桥涵通用规范》(JTJ D60-2015)4.3.12条计算。

(4)风荷载

按照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)规定执行。

3.3 荷载组合

本工程主桥设计安全等级为一级，应取结构重要性系数γ0=1.1。根据《公路桥涵通用规范》(JTJ D60-2015)的相关条文进行最不利荷载组合。

3.4 主桥总体计算结果

3.4.1结构应力验算

主桥中主桁钢板、联结系均采用Q370qD，按照《公路桥涵通用规范》(JTG D60-2015)的有关规定进行最不利荷载组合，应力验算结果以拉为正，压为负。

(1)主桁架上弦杆

图3 上弦杆最不利荷载组合应力图

主桁架上弦杆均为受压，最大压应力位于跨中-167.5MPa，最小压应力-101.66MPa。

(2)主桁架下弦杆

图4 下弦杆最不利荷载组合应力图

主桁架下弦杆均为受拉，最大拉应力151.54MPa，最小拉应力39.29MPa。

(3)主桁架腹杆

主桁架腹杆按受力不同分为拉杆和压杆，压杆最大压应力位于E0A1杆件，为-204.31MPa，拉杆最大拉应力位于E1A1杆件，为215.4MPa。见图5。

(4)主桁架上平联

主桁架上平联最大压应力位于A4节点对应的上平联横杆，为-101.25MPa，最大拉应力位于桥门架斜杆，为44.34MPa。见图6。

图5 腹杆最不利荷载组合应力图

图6 上平联最不利荷载组合应力图

(5)主桁架横梁

图7 横梁最不利荷载组合应力图

主桁架横梁最大压应力位于E2节点对应的横梁中部，为-156.07MPa，最大拉应力位于E2节点对应的横梁端部，为242.65MPa。

根据验算结果，主桥主要构件应力验算汇总见表1。

表1 应力验算汇总表

结构验算表明，主桥主要构件应力均能够满足规范要求。

3.4.2结构变形验算

由计算结果知，恒载作用下挠最大位移98.2mm，汽车荷载作用下挠最大位移14.9mm。w=15mm

图8 恒载作用下结构下挠变形图

图9 汽车荷载作用下结构下挠变形图

3.4.3结构支座反力验算

全桥共4个支座，1个固定支座，1个双向支座，2个单向支座。

根据计算结构，标准组合下最大支反力值为9461.7 kN，所选用支座设计承载力为12.5MN，9461.7kN<12500kN，故支座选取满足要求。

3.4.4结构整体动力特性分析

动力特性分析模型中，除桥面板采用板单元进行模拟外，其余杆件均采用梁单元进行模拟，计算得结构的前6阶自振频率，结果见表2。

表2 结构前六阶自振频率

4 结论

随着社会的发展，对桥梁美观、环保及经济性要求越来越高，简支钢桁架桥外形优美，施工过程环保可控，且建筑高度低，跨越能力强，有效减小桥梁规模，经济效益好。在今后的桥梁建设项目中具有很强的适用性。