钢桁架桥的结构设计与分析

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1、概述
钢桁架桥以其跨越能力强、施工速度快、承载能力强、耐久性好普遍应用于铁路桥梁。长期以来，由于钢材价格高，材料养护费用高，钢桁架桥梁在公路领域应用较少。近年来，随着我国炼钢水平的提高，国产的钢材品质已经完全能满足结构安全的需要，同时随着钢结构防腐技术的提高，钢结构桥梁越来越多的在公路工程领域得到应用。

相比较我国当前100m左右中等跨径常用的桥型如连续梁、系杆拱、矮塔斜拉桥等结构，钢桁架桥梁虽然建筑成本高，但刨去成本控制的因素，钢桁架桥具有以下的几点优越性：

1.建筑高度低，由于钢桁架结构主桁主要由拉杆和压杆构成，对杆件界面的抗弯刚度要求不大，因此钢桁架的建筑高度由横梁控制，在桥梁宽度不是非常大时可极大的降低桥梁建筑高度，尤其适用于对桥梁建筑高度有严格限制的桥梁；

2.施工周期短，速度快。钢桁架施工可在工厂制作杆件，运到现场拼装成桥，可采用顶推和支架拼装等方法，这使它在很多工期较紧的工程（如重要道路的桥梁改建）和跨越重要道路的跨线桥上成为桥型首选之一；

3.随着钢结构防腐技术的提高，钢桁架桥的耐久性大为提高，同时钢材作为延性材料，结构安全性较混凝土桥梁高。正因为钢桁架桥梁的这几方面的优点，桁架桥梁成为特定条件下的经济而合理的桥型选择。

2、结构设计

公路桥位于江苏省境内，正交跨越京杭大运河，河口宽95m，通航净空要求90x7m，桥梁主跨采用97m，由于桥梁中心至桥头平交处距离仅140余米，若采用其他结构纵坡将达到5%以上，经综合考虑，主桥采用97m下承式钢桁架结构。

2.1主桁

主桁采用带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，节间长度5.35m，主桁高度8m，高跨比为1/12.04。两片主桁中心距为8.6m，宽跨比为1/11.2，桥面宽度为8m。



图1主桁一般构造图

主桁上下弦杆均采用箱形截面，截面宽度500mm，高度均为540mm，板厚20～24mm，工厂焊接，在工地通过高强度螺栓在节点内拼接。除端斜杆采用箱形截面以增加面内外刚度外，其余腹杆均采用焊接H形截面，截面宽度500mm，高度均为400mm，最大板厚24mm。

2.2桥面系

桥面系为联合梁，由下面的钢梁和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870mm，为工字形截面，与主桁在节点上通过高强螺栓连接；纵梁高420mm，也采用工字形截面，上翼缘与横梁上翼缘的底面齐平，在纵梁腹板上设一对角钢与横梁腹板相连，横向每2m设置一道；桥面板采用钢筋混凝土结构，板厚375px，与纵、横梁相交处带肋，板厚增至500px，通过剪力钉与横梁、纵梁相连。

2.3上、下平纵联

上、下平面纵向联结系均采用交叉式，与弦杆在节点处相连，以抵抗横向风力及弦杆变形产生的内力。在桁梁两端斜杆所在的斜平面设置桥门架，上弦节点每个节点均设一道横向联结系。

2.4节点构造

杆件以16mm厚节点板连接，连接采用M24高强锚栓，设计预紧力为240kN。

2.5技术指标

工程用钢量为600kg/㎡。

3、结构计算

主桥计算采用空间有限元程序midasCivil2010进行分析，主桁、横梁、上下平纵联采用桁架单元，桥面板采用厚板单元模拟。全桥共划分单元6624个，其中桁架单元3712个，板单元2912个。桥面铺装、防撞护栏等二期恒载采用平面荷载施加在桥面板上，移动荷载采用车道面加于桥面板上，全桥模型如下：



图2全桥计算模型

3.1结构静力计算

结构按如下工况进行计算，分别是工况一：自重 二期恒载；工况二：自重 二期恒载 整体升温 日照温差 汽车荷载；工况三：自重 二期恒载 整体降温 日照温差 汽车荷载。根据对结构进行计算分析，承载能力状态上弦杆压应力为170.7MPa，下弦杆最大拉应力为86.2MPa，均小于Q345钢设计容许应力，满足钢结构设计规范要求，其中上弦杆应力控制设计。

使用状态下横梁跨中承受正弯矩引起的弯曲应力，横梁与下弦杆节点处承受固端弯矩引起的二次应力，根据计算结果横梁上下缘应力均满足规范要求，其中横梁上缘因节点固端弯矩产生的最大压应力为120Mpa，控制设计。

在使用状态下，汽车荷载产生的竖向挠度为142.5px，小于L/800=302.5px，满足规范要求。自重 二期恒载 汽车工况下桁架跨中最大挠度为545px，大于L/1600=152.5px，需要设置预拱度，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）需设置自重 1/2活载产生的竖向挠度作为预拱度，本桥预拱度采用472.49999999999994px。

3.2结构整体稳定计算

由于桥宽较窄，故结构整体稳定性成为主要控制因数。本桥整体稳定采用MidasCivil2010进行分析，结构一阶失稳是上弦杆平面外失稳，临界荷载特征值系数为25，满足规范要求。

4、结构防腐

防腐作为影响桥梁耐久性的重要方面，在设计中作了周密的考虑。对□型构件所用的钢板需作预处理。即：抛丸（或喷砂）除锈至Sa2.5级，喷涂醇溶无机硅酸锌车间底漆20～30微米。

（1）钢结构外表面

表面处理：喷砂除锈等级Sa2.5级，表面粗糙度25～60μm

底漆水性无机富锌IC-100两道共80μm

封闭漆环氧磷酸盐封闭漆IC-123一道20μm

中间漆环氧云铁中间漆IC-200两道共100μm

面漆丙烯酸聚氨酯面漆IC-300两道共80μm

合计280μm

（2）□型构件内表面

表面处理：电动工具打磨焊缝至St3级。其它部位用电动工具清除浮尘及污染物。并用除油剂清除油渍。

底漆环氧富锌底漆IC-101一道或两道50μm

面漆环氧厚浆漆IC-302两道共200μm

（3）纵横梁顶面

表面处理：喷砂除锈等级Sa2.5级，表面粗糙度25～60μm

单层水性无机富锌IC-100两道共100μm

（4）高强螺栓连接面

表面处理：喷砂除锈等级Sa2.5级，表面粗糙度25～60μm

低温潮湿季节涂装时

单层无机富锌防锈防滑涂料IC-108两道共100μm

高温干燥季节涂装时

单层无机富锌防锈防滑涂料IC-109两道共100μm

5、施工方法

本桥梁位于交通繁忙的航道，航道交通量非常大，不能采用断航的施工方案，施工时所有杆件在工厂切割加工，在桥梁引桥上现场拼装焊接成整体，采用浮运拖拉方案架设桥梁，最后施工桥面板、铺装、护栏等桥面设施。

6、结语

（1）钢桁架以其快速的施工速度，较大的跨越能力，在桥梁建筑高度和建筑工期受限时，越来越多的作为桥型选择的首选方案。

（2）钢桁架主桁设计时上弦杆为主要控制设计的构件，设计时注意验算上弦杆的局部稳定和作为压杆的面内面外稳定，确保结构安全。为了施工的方便，下弦杆的断面尺寸可依据上弦杆确定。

（3）横梁设计时需注意节点板处固端弯矩引起的二次应力，大部分桁架桥中自重引起的二次应力超过了活载引桥的结构应力，应引起设计者足够重视。

（4）设计中应充分征求钢结构生产厂家和防腐涂料生产厂家的意见，确保设计方案的可行性和合理性。