矩形钢管空间桁架桥的性能对比分析

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摘要：设计了一种矩形钢管空间桁架与钢筋混凝土面板组合而成的梁式桥结构，进行了力学分析和构造的设计，并通过与小箱梁桥的力学性能、材料用量、施工工艺、工程造价等方面的综合比较，阐明了矩形钢管空间桁架与混凝土组梁桥的适用性和应用前景。

关键词：矩形钢管 空间桁架 组合梁桥

1.前言

弦管加劲的矩形钢管空间桁架梁桥，结构简单合理，受力性能良好，施工建造简便，且能有效解决目前钢桁架桥梁结构的诸多问题。结合具体的建设条件，每一座桥梁都有其创新发挥的空间，尽管如此，仍然有其内在规律和体系特征，把握这些规律和特征是做好概念设计的前提。重视性能对比分析，对工程方案的合理性、创新性，既是重要的也是必要的。

本文根据弦管加劲的矩形钢管空间桁架梁桥与小箱梁桥的技术特点，对对比分析所需要的总体布置、施工方法及其与设计的结合等方而的问题进行论述与探讨。

2.结构设计与分析

2.1结构设计

钢桁架一混凝土结合梁是钢桁架与混凝土桥面板通过剪力连接件组合而成的。钢桁梁是由主桁架、联结系、桥面系、桥面等所组成的。

主桁架是钢桁梁桥的主要承重结构，它的作用是承受竖向荷载，并将荷载通过支座传给墩台。主桁架由上、下弦杆和腹杆组成。主桁架杆件的连接形式直接影响杆件的受力，若主桁杆件节点处为理想铰接，则杆件主要承受轴向力；若铰锈蚀，则转化为结合不良，现阶段实际工程中很多采用整体节点板螺栓连接或焊接，则杆件除承受轴向力外还要承受弯距、扭矩和剪力。

2.2整体受力分析

钢桁架一混凝土结合梁是混凝土桥面板与钢桁架共同受力的一种新型组合结构，因其刚度大、建筑高度低、整体性好、噪音小和行车动力性能好等优越性能。

①在一期恒载、二期恒载和双线对称活载作用下上弦杆全部受压，最大压应力位于跨中位置；下弦杆主要受拉；腹杆拉压交替。主桁杆件存在较大的次内力，不能按二力杆来处理。②混凝土桥面板顶、底面在活载作用下大部分均受拉，且拉应力水平较高，有可能处于开裂状态，通常采取合理的措施来限制裂缝宽度。③横梁存在一定的弯曲，桥面系与主桁下弦杆的轴力不能按纵向刚度EA之比进行分配，在节间两端横梁处桥面系分配的轴力较节间比例大。

3.与小箱梁桥的比较

3.1 使用性能对比分析

3.1.1组合梁桥使用性能

①钢桁架一混凝土组合梁中的混凝土板有利于提高主桁架的刚度，有利于降低桁高、节省钢材、改善路面行车条件和降低工程造价；②混凝土桥面板同时发挥桥面板、主桁平纵联等多种作用，部分参与主桁架的受剪，改善了主桁的受力状况；③钢桁架一混凝土组合梁有利于减小构件截面尺寸和节省钢材，减小上部结构自重，有利于下部结构的受力。

3.1.2小箱梁使用性能

对正交简支多箱式小箱梁桥，荷载效应对各梁的挠度、内力效应具有较大差异；单个集中荷载作用下，空间有限元按挠度效应计算的横向分布影响线与刚接板法的计算值吻合较好；但由空间有限元按内力效应计算的横向分布影响线，与刚接板法计算的荷载横向分布影响线存在一定的差异；均布线荷载下，按空间的内力（截面弯矩）效应反算的横向分布影响线与按挠度效应反算的横向分布影响线基本一致，且与刚接板梁法计算值也非常吻合，表明均布线荷载下采用刚接板梁法能较为准确地计算其荷载横向分布影响线。

另外，小箱梁受剪力滞、畸变、扭转、有无横隔板及支承条件的影响，其空间受力特征将很突出。

3.2建造工艺

3.2.1小箱梁施工工艺流程

①先预制主梁，混凝土达到设计强度的90%后，张拉正弯矩区预应力钢束，压注水泥浆并及时清理箱梁底板通气孔。②设置临时支座并安装好永久支座（联端无需设临时支座）逐孔安装主梁，置于临时支座上成为简支状态，及时连接桥面板钢筋及端横梁钢筋。③连接连续接头段钢筋，绑扎横梁钢筋，安装顶板束波纹管并穿束。在日温最低时，浇筑连续接头、中横梁及其两侧与顶板负弯矩束同长度范围内的桥面板，达到设计强度的95%后，张拉顶板负弯矩预应力钢束，并压注水泥浆。④接头施工完成后，浇筑剩余部分桥面板湿接缝混凝土，剩余部分桥面板湿接缝混凝土应由跨中向支点浇筑。浇筑完成后拆除一联内临时支座，完成体系转换。解除临时支座时，应特别注意严防高温影响橡胶支座质量。⑤连接顶板钢束张拉预留槽口处钢筋后，现浇调平层混凝土、喷洒防水层、护栏施工、进行桥面铺装施工及伸缩缝安装。

3.2.2组合梁桥施工工艺流程

组合箱梁通常由钢槽形梁与混凝上桥而板通过剪力钉及现浇缝混凝上结合在一起。钢板在工厂预处理下料，完成板单元制造后，进行分节段的拼装、涂装，然后进行整孔吊装段的总拼、涂装。 组合梁采用钢梁总拼胎架与钢一混凝上叠合台座分开方式进行。待现浇缝混凝上强度及弹性模量达到设计要求后，张拉横向预应力束，再用水平千斤顶顶推横移台车使组合梁整体沿横移滑道滑移至存梁区存放。组合梁在桥位处临时定位后，实行组合梁钢结构全断面焊接、补涂装，并实施墩顶顶落梁工艺，浇筑墩顶处钢梁底板结合段及顶板现浇缝混凝土，完成钢一混凝上第2次结合。

3.3造价估算（比较）

对比可知，在仅考虑工程材料用量时，组合梁桥造价远低于小箱梁桥。

4.结论

组合结构以其整体受力的经济性，发挥2种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点而得到广泛应用。矩形钢管混凝土组成的空间桁架结构，各榀桁架间的纵向不易错位；因此，结构整体性好，力学性能优越。钢梁及其加劲系统的简洁化促进了材料合理分布并降低了用量，设计与施工紧密结合促进了经济竞争能力的提升与结构性能的改善。通关与小箱梁桥各方面对比可知，空间桁架自重轻，结构整体性好，适合工厂制作、现场拼装、整体吊装就位，即能保质工程质量，又能缩短工期。同时造价较低，可显著节省资金用量。

综上所述，矩形钢管空间桁架与钢筋混凝土面板组合而成的梁式桥结构结构、制作施工方便，且结构力学性能优越，具有结构自重轻、受力体系合理、施工周期短、造价低等特点。