第17卷第6期2020年12月
现代交通技术
Modern Transportation Technology
Vol.17No.6
Dec.2020 120m下承式简支钢桁架桥设计分析 曹骏驹
(江苏省交通工程建设局，南京210004)
摘要：以新安京杭运河大桥主桥120m下承式简支钢桁架桥施工设计为例，设计中对主桥构造尺寸拟定(包含桁架高度、节间长度、斜杆倾角、主桁间距、各杆件及节点板厚度等)，通过midas Civil软件进行结构验算，发现原设计中部分杆件强度应力储备不足，通过深度分析，优化了构造尺寸。结果表明：钢桁架各构件强度、整体稳定性、杆件稳定性、刚度和疲劳验算均满足规范要求，结构设计经济、耐久、安全可靠。
关键词：简支钢桁架；结构分析；疲劳验算；结构安全
中图分类号：U442.5文献标识码：A文章编号：16729889(2020)06005704
Design and Analysis of120m Through Simply Supported Steel Truss Bridge
CAO Junju
(Jiangsu Provincial Transportation Engineering Construction Bureau,Nanjing210004,China)
Abstract:Taking the construction drawing design of120m through simply supported steel truss of the main bridge of Xin'an Beijing-Hangzhou Grand Canal Bridge as an example.In the design,the structural dimensions of the main bridge are determined(truss height，section length，inclined bar inclination，main truss spacing，the thickness of each member and gusset plate，etc.).Through midas Civil structural checking calculation，it is found that the strength stress reserve of some members in the original design is insufficient.Through depth analysis，the structural size is optimized.The results show that the strength,stability,overall stability,stiffness and fatigue of each member of the steel truss meet the requirements of the code, and the structural design is economical，durable，safe and reliable.
Key words:simply supported steel truss；structural analysis；fatigue checking calculation；structural safety
下承式简支钢桁架桥是常见的铁路桥梁之一，它具有自重轻、跨越能力强、建筑高度低、建设速度快等特点，可运用在工程抢险、航道整治等工程中。过去，由于钢结构材料价格及养护成本高等因素，钢桁架桥在公路领域较少采用，近年来，随着我国炼钢工艺的提升，钢材品质及结构防腐技术不断提高，钢结构桥梁在公路工程领域中越来越多被采用,2016年我国交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，钢桁架在桥梁建设中获得进一步推广。 1工程概况
本项目位于徐州邳州市西北部，京杭运河刘山船闸上游约4.8km处，撤销新安庄渡口、刘楼渡口、孙庄渡口和刘季楼渡口，拟实施京杭运河公路桥梁工程，桥梁建成后方便运河两岸居民出行。因此本项目建设对于解决运河两岸居民出行难题、完善邳州市路网结构、加强区域南北向沟通，具有重要意义。本项目采用公路-1级标准，设计速度80km/h，桥梁宽12.5m。
新安京杭运河大桥主桥跨越京杭运河，大桥路线与航道中心线的交点处为主桥跨中，交角为90°，京杭运河该段为n级航道，通航净空为109x7m，桥位水面宽约110mo主桥采用1x120m(计算跨径)简支下承式钢桁架桥，一跨过河，主墩均设置在岸上，引桥根据水利部门的要求采用35m小箱梁跨越京杭运河南北两侧大堤，全桥跨径布置为(3x35)+(3x 35)+121.36+(25+3x35)+(4x35)m，桥梁全长609.36m。本桥平面位于直线上，纵断面采用2.7%双向纵坡，竖曲线采用凸曲线，曲线半径8000mo
采用日期：20201023
第一作者：曹骏驹(1962—)，男，高级工程师，主要从事公路工程建设项目管理工作。
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2结构设计
主桥上部结构采用计算跨径120m下承式简支钢桁架桥，主桁采用带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，主桁高度12m，节间长度7.5m，设两片主桁中心距为14m。
主桁上下弦杆均采用箱形截面，截面内宽为700mm，高度均为980mm，最大板厚44mm，工厂焊接；主桁节点采用焊接整体节点，上下弦杆在工地通过高强螺栓在节点外拼接。端斜杆采用箱形截面，外宽为700mm，高度为800mm；其余斜腹杆均采用焊接H形截面，翼缘宽度为600〜800mm，截面高度700mm，最小板厚12mm，最大板厚36mm；竖杆采用焊接H形截面，翼缘拉杆宽度为500〜 600mm，截面高度700mm，最小板厚12mm，最大板厚20mm。
桥面系由横梁、小纵梁和桥面板组成。中横梁采用工字形截面，截面高为1004〜1136mm，随双向2%的横坡变化，与主桁在节点上通过顶板焊接，底板及腹板高强螺栓进行连接。中横梁顶板宽取500mm，厚度取24mm，底板宽度取700mm，厚度取36mm，腹板厚取16〜20mm变厚。端横梁采用
箱形截面，截面高为1004〜1136mm，随双向2%的横坡变化。端横梁与主桁下弦端节点通过顶、底板焊接，腹板高强螺栓进行连接。端横梁顶宽取1210mm，底板宽取1200mm，厚度取24mm，腹板厚取28mm。桥梁横向设7片工字形截面小纵梁，边纵梁与中纵梁间距1.5m，中纵梁之间间距为2m，纵梁与横梁采用高强螺栓连接。
上下平面纵向联结系均采用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2个节点处设一道横向联结系。 混凝土桥面板为22cm等厚，分为预制部分和现浇部分，预制部分采用C50混凝土，现浇部分采用C50补偿收缩混凝土。预制板在钢梁支撑处设置5mm厚的橡胶垫片，以防止现浇混凝土浆外溢及水浸入锈蚀钢梁。混凝土桥面板按照普通钢筋混凝土构件设计。桥面板与纵横梁间用剪力钉连接。桥面采用10cm沥青混凝土铺装。
主桥钢桁梁设置了拱度，拱度值按照恒载+1/2活载挠度反向设置并叠加竖曲线⑴，钢桁梁结构的起拱，采用下弦节间长度不变，伸长上弦节间长度的方法实现，桥梁效果如图1所示。
图1桥梁效果
3结构计算
四种形态和教育惩处相结合
3.1材料参数
钢桁架梁采用Q355D［2］，钢材的强度设计值按钢材的不同厚度［3］取值，详见表1。
表1钢材的强度设计值
钢材板厚/m m力/MPa九抗剪/MPa
W16275160 Q355D16〜40270155
40〜63260150
3.2计算荷载
(1)恒载：桁架杆件和桥面板自重，参考多个已建钢桁架桥，取结构系数为1.15，用以考虑节点板、焊缝、螺栓、肋板等非结构构件的自重。
(2)二期荷载：包括铺装、护栏等。
(3)风荷载：按照《公路桥梁抗风设计规范》⑷(JTG/T336001—2018)附录内容，重现期为10年的基本风速值为22.6m/s；重现期为100年的基本风速值为26.6m/s。地面粗糙度类别取B类。W1计算时，取
主梁上的风速值为25m/s，换算到主梁处W2设计基准风速为29.5m/s。W2风荷载为W1风荷载的1.4倍。
(4)汽车荷载：汽车荷载取公路I级标准。竖向基频为1.37Hz，冲击系数为0.05。偏不利考虑，桥面范围内布置3列车⑸。
(5)温度荷载：极端最高气温为39.8兀；极端最低气温为-23°C。
3.3结构模型
计算采用midas Civil软件［6］建立空间有限元模型，杆件采用梁单元进行模拟，桥面板采用板单元进行模拟，节点都用刚接来模拟计算⑺，实际支座情况加上边界条件，结构计算模型如图2所示
。
第6期曹骏驹.120 m 下承式简支钢桁架桥设计分析
・59・
图2结构计算模型
3. 4 计算结果3.
4.1强度验算
根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60— 2015)4. 1.5条对各单项荷载进行基本组合，考虑重
要性系数为1.1o 桁架应力包络图如图3所示。
整体屈曲的前4阶模态均为桥面架腿杆的面 内失稳，最小稳定系数为11. 6 >4. 0o 5阶失稳为
上平联失稳。综上，桁架整体稳定性满足规范 要求。
3.4.3杆件稳定性验算
根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—谁欠谁的幸福 作者
2015) 相关规定， 杆件稳定性验算结果如表 2 所示。
表2杆件稳定性验算结果
钢桁架最大压应力为-235.7 MPa，最大拉应
力为232. 0 MPa，小于钢材抗压强度设计值
265 MPa ，因此钢桁架强度验算满足规范要求。前
期通过计算优化结构尺寸，主桁上下弦杆原最大板
厚40 mm 调整为44 mm，增加了结构安全储备。
3.4.2整体稳定性验算
对桁架桥梁进行弹性屈曲分析。以自重、二期 为常量，满载汽车荷载作为变量，主要在竖向力作
用下进行整体屈曲阶模态，如图4〜图7所示。
杆名称
件 号
入
1
0. 310. 961上弦2
0. 310. 961杆
3
0. 310. 9594
0. 310. 9605
0. 310. 958下弦60. 310. 959杆
7
0. 310. 9598
0. 31
0. 960
-
189.4 -231- 63. 0
- 110
轴力引组合考虑受压 起的应力应力“屈曲组合b/MPa MPa 应力 b/MPa
-238.8
-112.7
由表2可知，各构件稳定性满足规范要求。
3.4.4挠度验算
根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—
2015)第4.2.3条规定，公路钢桥应采用不计冲击
力的汽车车道荷载频遇值(频遇值系数取1. 0)，并
按结构力学的方法计算竖向挠度，车道荷载频遇值
挠度情况如图8所示。
冬眠合剂丄丄丄L 「I 」，「【二
图4整体屈曲的1阶模态(立面)
图5整体屈曲的1阶模态(平面)
图8车道荷载频遇值挠度情况
图6整体屈曲的5阶模态(立面)
图7整体屈曲的5阶模态(平面)
由汽车车道频遇值引起的总挠度值为:f s =
31. 2 mm<L /500 =240 mm，故刚度满足规范要求。
3.4.5疲劳验算
根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—
2015)5. 5条，按疲劳细节类别进行疲劳极限状态验
算。按照疲劳荷载模型I 采用等效的车道荷载，集
中荷载为0. 7 P k ，均布荷载为0. 3 q k ，P k 和q k 按《公
路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)的相关规
定取值，并考虑多车道的影响；疲劳荷载模型I 作
用下钢桁架最大与最小应力 包络情况如图 9 和图
10所示
。
・60・现代交通技术2020年
图9模型I作用下钢桁架最大应力包络情况(单位:MPa)
图10模型I作用下钢桁架最小应力包络情况(单位:MPa)
由图9和图10可知，钢桁架下弦拉应力幅为10.3MPa；桥门架腿杆应力幅为9.6+13.5=23.1 MPa；腹杆应力幅为9.0+3.0=12.0MPa。
天津经济台采用疲劳荷载模型I时应按下式计算：
y FK”W ks'/YMf
'◎二(1+'o)(j max_Smin)
底板基材为轧制钢板，疲劳细节为160；焊接截面的连续纵向焊缝为100；取疲劳细节类别100，即2x106循环疲劳强度值—=100MPa,
'胡(2/5)173'死二0.737x100二73.7MPa
需二(1+Z)(©max_©min)= 23.1MPa
了凹〃二29.3MPa<；亠d/y W二54.59MPa
故，钢桁架满足疲劳要求。
4施工方案
主桥上部结构采用岸上搭设支架拼装，利用浮船拖拉施工过河的施工方案⑻，主桥施工流程示意如图11所示。厦门理工学院学报
图11主桥施工流程示意
其具体施工步骤如下：
(1)基础及下部结构施工，完成后在北侧岸上搭设施工临时支架。
(2)在支架上拼接安装钢桁架上下弦杆、腹杆、横梁、上下平联、桥门架及横联，小纵梁暂不安装。
(3)利用浮船将钢桁拖拉过河，拖拉施工应连续进行，应选择在风力不大于5级、水位稳定、波浪较小的时间段进行拖拉施工。拖拉施工方案应与航道部门充分沟通，做好安全措施。
(4)桁梁纵向拖拉过河后，小车运行方向进行调整，准备横向平移。主梁平移到位后落梁。落梁的办法可用8个千斤顶各支承在梁端部下弦杆顶梁处，起顶主梁，将垫块拆除，钢梁逐层下降，在落梁时随时调整使主梁与固定支座位置吻合。
(5)钢桁架安装到位后，从两端向中间分别安装钢梁小纵梁及预制桥面板。再分别浇筑各桥面板的湿接缝。跨中处纵梁的螺栓应在湿接缝混凝土浇筑完成后再终拧。
(6)施工桥面附属设施，施工完成。
5结语
(1)主桥采用计算跨径120m下承式简支钢桁梁跨越京杭运河，在满足施工要求与营运期通航要求的基础上，充分发挥了下承式钢桁梁结构自重轻、跨越能力强、建筑高度低、建成速度快的特点，体现了下承式钢桁梁在公路改造项目中的优势。
(2)钢桁架各构件强度、整体稳定性、杆件稳定性、刚度、疲劳及支座竖向抗压性能均满足规范要求。
(3)本文主要针对钢结构安全性进行设计分析，关于桥梁防腐涂装和后期管养同样是钢结构设计、施工与运营管理中的一个重点，需引起足够重视。
(4)本文简支钢桁架桥设计分析可为同类型项目提供借鉴。
参考文献
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sheshefa
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(责任编辑董雅芸
)
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