下承式连续钢桁架桥上部结构设计研究

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摘要：钢桁架桥主要应用于铁路桥梁，公路桥梁和城市桥梁中较少选用，但是在城市道路及公路领域选用钢桁架桥有很多特殊的优越性，例如，架设速度快，适应当今快速、重载交通的需要，可以为公路和城市增添景观等。本文介绍了长兴县经四路南延线上的上莘大桥上部结构的设计要点，对主桁中心距的比选以及主桁整体节点刚性的影响进行了分析，为今后公路、城市钢桁架桥设计提供参考。

关键词：钢桁架桥，上部结构，设计研究

Design and Research of upper structure to the through continuous truss bridge

KEY WORDS：steel truss bridge ;upper structure ;design and research

0 前言

钢桁架桥主要应用于铁路桥梁，公路及城市道路领域应用较少，但是在公路及城市道路领域选用钢桁架桥有其特殊的优越性。在公路领域，特别是城市道路中选用钢桁架桥不仅可以适应当今快速、重载交通的需求，而且钢桁架桥架设速度快，可以保证中断交通的时间最短。同时钢桁架桥还可以为城市和公路增添了一道风景线。建于1907年的上海市外白渡桥目前保留完整，而且成为上海市的标志景观之一；沪宁高速公路上首座下承式钢桁架桥－无锡北兴塘大桥，该大桥重1320t，跨径80m，无论规模还是技术，在国内建桥业都是创纪录的。由此可见，钢桁架桥在公路和城市道路领域有其特殊的优越性，应用前景乐观。

本文主要介绍长兴县经四路南延线上的上莘大桥上部结构的设计要点，对主桁中心距的比选以及主桁整体节点刚性的影响进行了分析，为今后公路、城市钢桁架桥设计提供参考。

1工程概述

上莘大桥是长兴县经四路南延线上跨越长兴港的一座南北向钢桁架桥。该桥采用62+100+62m三跨下承式连续钢桁架结构，桥梁全宽30m，桥面横断面布置为20.25m(栏杆)+21.75m(人行道)+23m(非机动车道)+22m(隔离带)+28m(机动车道)，主桁中心距为18.08m。桥梁主体结构采用Q345qD钢材和M24高强螺栓，设计荷载为城-A级，人群荷载按3.5kN/m2进行计算。桥梁桥型布置如图1所示。

a 钢桁架桥侧立面

b 钢桁架桥平面 c 钢桁架桥正立面

图1钢桁架桥桥型布置图

2 结构构造[1,2]

上莘大桥为下承式连续钢桁架桥，上部结构由桥面板、桥面系、主桁、联结系和支座五部分组成。

1. 桥面板

桥面板为组合结构，板厚14mm(悬臂桥面板厚10mm)，桥面板上铺设为厚度为5.5cm的环氧沥青混凝土。全桥桥面板纵向划分为25段，各节段间是在拼装完成后焊接连接而成，其余部分包括U型肋都采用高强螺栓连接。

2. 桥面系

桥面系由主横梁、次横梁、次纵梁构成。考虑到公路钢桥荷载分布比较灵活，不像铁路钢桥受力位置固定，本桥采用如下传力体系：桥面系荷载直接通过桥面板传至横梁，节点处横梁把该横梁荷载通过节点传至桁架杆件。桥面系主横梁共26道，断面为焊接工字形钢。铁路桥一般都为明桥面板，对于公路桥梁应考虑桥面板与钢横梁的组合作用，因此本设计为了保证钢桥面板与钢横梁共同作用，在钢横梁顶面设置了高强螺栓，使钢横梁与桥面板形成组合结构共同受力。每两个主横梁之间还设有两道次横梁（共50道），断面为焊接工字形钢。次纵梁为15道，断面也为焊接工字形钢。纵梁布置在主横梁的受压区，以增加主横梁的稳定性。

3. 主桁

主桁是钢桁架桥的主要承重结构。根据地形、地质、水文、气象、制造、运输、安装条件、养护和美观要求，结合国内外大、中等跨度下承式钢桁架桥的工作实践，采用在竖向荷载作用下斜腹杆自支座向跨中交替受压受拉的无竖杆华伦式三角形腹杆体系，以求减少受压斜杆的数量，且弦杆内力在节间变化次数少，构造简单，较为经济合理。

主桁上弦杆、下弦杆、斜腹杆均采用焊接箱形断面，具体形式见表1。由于所选截面高约为节间长度的1/4.5～1/25，降低了杆端的次应力。焊接箱形断面具有高宽的特点，满足高强螺栓设计

表1主桁杆件截面形式表

截面形式 截面组成 适用位置 截面形式 截面组成 适用位置

2-78024

1-60220

1-72420 X0aX1,X1X2,X2X3,

X3X4,X10X11,

X11X12,X12X12a 2-78032

1-60224

1-72424 X4X5,X5X6,X6X7,

X7X8,X8X9,X9X10

2-87632

1-60224

1-72424 S0S1,S1S2,S2S3,S3S4,

S4S5,S5S6, S8S9, S9S10,

S10S11,S11S12,S12S13 2-87636

1-60232

1-72432 S6S8

2-50024

2-55224 S4X5,X5S5,S5X6,X6S6,

S6X7,X7S8,S8X8,

X8S9,S9X9,X9S10 2-50032

2-53632 S0X1,X1S1,S1X2,X2S2,

S2X3,X3S3,S3X4,X4S4,

S10X10,X10S11,S11X11,

X11S12,S12X12,X12S13

2-90032

2-53632 X7S7 2-90032

2-53624 X0S0

施工要求，且配上十分经济合理的华伦式桁架，使得整个桥梁外形轻巧美观，用料节省。

4. 联结系

联结系主要承受横向作用(风载、地震作用等)，增强侧向刚度和抗扭刚度。桁架中墩处水平横撑、下平联水平横撑、斜撑断面均为工字形断面。由于横梁较宽，下平面纵向联结系采用双X形式，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，下平联全桥通设。

3 主桁中心距的比选分析[3,4]

作为一种自激振动，本次车桥耦合动力分析采用车辆、桥梁两个体系进行，分别按各自的计算模型建立动力平衡方程，求出车桥的动力时程响应。桥梁模型的主桁中心距拟采用18.08m与18.68m进行比较分析。本文采用ANSYS大型结构分析软件

建模并分析，其中两片主桁架上弦、下弦、斜腹杆，桥面系中主横梁、次横梁、次纵梁以及联结系采用梁单元Beam188，桥面板采用壳单元Shell63。其他桥面铺装、人行道板、防撞护栏等其它部分自重折算为均布荷载施加于桥面系各单元上。

3.1 桥梁自振特性比较

两种结构模型前4阶主振型自振频率见表2，频率振型图如图2所示。

表2桥梁前4阶自振频率计算结果（Hz）

1阶频率 2阶频率 3阶频率 4阶频率

桁宽18.08m 2.2531 2.3118 2.3944 2.4500

桁宽18.68m 2.2387 2.3266 2.4094 2.4683

振动特性 主桁桥面竖向

对称弯曲 主桁桥面对

称弯扭 主桁横向

反对称弯扭 主桁桥面对

称弯扭

a 第一频率振型图 b 第二频率振型图

c 第三频率振型图 d 第四频率振型图

图2桥梁前4阶频率振型图

从表2结果可以看出，桥梁第1阶模态表现为主桁桥面对称弯曲，这与下承式连续钢桁架桥横向刚度偏弱的特点相符。桁宽18.68 m与18.08m相比较，桁宽18.68m的结构横向刚度增大，同时结构自重也略有增加，由于两种模型采用了相同的杆件，因而结构竖向刚度基本相同，因此桁宽18.68m时横向自振频率有所增大。

3.2 桥梁车辆振动比较

两种结构模型均采用匀速常量力和匀速简谐力两种荷载，就桥的中跨跨中节点位移进行分析。结果表明：最大位移都是发生在车即将离开钢桁架桥的时刻，但是常量力的最大位移比简谐力的要大，这与简谐力的激振频率有关：当频率减少逐渐接近钢桁架桥的固有频率时，将发生共振而使得载荷在离开桥梁的时刻发生的位移响应最大。

钢桁架桥的竖向振动由车辆控制，主桁采用18.08m时，桥梁中跨跨中节点的最大竖向位移分别为：①匀速常量力：25.189mm(对称加载)②匀速简谐力：13.564 mm (5Hz)和1.714 mm (10Hz) mm (对称加载)； 主桁采用18.68m时，桥梁中跨跨中节点的最大竖向位移分别为：①匀速常量力：22.256 mm (对称加载)②匀速简谐力：10.354 mm (5Hz)和 0.618mm(10Hz) (对称加载)。

3.3 主桁中心距的确定

综合以上比较分析结果，对于主桁中心距采用18.08m与18.68m，最大位移、应力指标均在容许范围之内。综合造价和运营观点考虑，主桁中心距采用18.08m是适宜的。

4 主桁整体节点刚性的影响

本桥主桁弦杆均采用焊接箱形截面，2块竖板在节点范围内加宽后成为节点板，与斜杆连接。设计中为充分考虑节点刚性对杆件的影响，空间分析考虑了两种模型同精度进行，第一种杆件考虑为节点铰接的二力杆单元，忽略节点刚性的影响；第二种杆件考虑为节点刚接的空间梁单元。二者计算轴力差别很小，刚接梁单元模式比铰接杆单元模式弦杆轴力略小，如表3所示。

表3两种模型主要杆件轴力比较

杆件位置 刚接模式(kN) 铰接模式(kN) 相差幅度(％)

跨中上弦(压杆) -2637.2 -2645.4 0.31

跨中下弦(拉杆) 630.4 632.6 0.35

斜腹杆(压杆) -1997.5 2003.1 0.28

斜腹杆(拉杆) 2316.0 2322.5 0.28

5 结语

上莘大桥位于长兴县经四路南延线上且跨越长兴港，采用钢桁架桥可以保证中断交通的时间较短，最大限度地保证了公路的正常运营。上莘大桥桥型美观，将成为城市的一道景观，可见钢桁架桥在公路和城市道路工程中应用具有一定的优越性。本文就上莘大桥的设计要点进行了介绍和分析，并采用两种不同的桁宽进行分析，结果表明主桁中心距是影响钢桁架桥动力性能的重要参数之一，本桥综合考虑车桥动力仿真分析和经济的因素，主桁中心距选择18.08m是合理的。大跨度整体节点钢桁架桥节点刚性较强，设计中充分考虑节点刚性产生的影响。

参考文献

[1] 陈绍藩. 钢结构设计原理[M]. 北京:科学出版社，2005.

[2] 黎钟，高云虹. 钢结构[M]. 高等教育出版社，1990.

[3] 刘涛，杨凤鹏. 精通ANSYS[M]. 清华大学出版社，2002.

[4] 刘坤. ANSYS有限元方法精解[M]. 国防工业出版社，2004.

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