下承式城市钢桁架桥上部结构设计与分析

５４　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００６年１１月第６期　下承式城市钢桁架桥上部结构设计与分析　黄侨　，李　莹　，杨大伟　，刘　宇！，孙广婧　（１．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨１５００９０；２．大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连１１６０１１）　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ｆ【｝｛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。该文介绍丁大连市中　心新建菜市桥上部结构的设计要点及桥梁的结构构造，主桁采用平面及空间两种方式建立有限元模型的分析过程和桥梁　的主要承重结构横梁的计算。结果表明，该设计选取主桁杆件为焊接工字形截面和Ｈ型钢，可以满足高强螺栓的设计和施　工要求，采用平面和空间分析主桁的结果吻合很好，考虑桥而板与钢横梁作为钢一混凝土组台结构共同工作，符合实际结　构工作状态。该设计可供以后公路、城市钢桁架桥设计参考。　关键词：钢桥；桁架桥；桥梁设计；城市桥梁　中图分类号：Ｕ４４８．２１ｌ文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７ｌ６（２００６）０６—００５４—０４　Ｏ前言　角形连续钢桁架；沪宁高速公路上首座下承式钢　桁架桥一无锡北兴塘大桥，该桥于２００５年３月１　钢桁架桥主要应用于铁路桥梁，公路及城市　日杆件拼装开始，到纵向拖拉到位，前后共经历　道路领域应用较少。但是在公路及城市道路领域　４８　ｄ，于同年４月１７日晚实现纵向拖拉到位，该　选用钢桁架桥有其特殊的优越性。在公路领域、特　大桥的就位不仅为同年６月３０日前沪宁高速南　别是城市道路中选用钢桁架桥不仅可以适应当今　半幅贯通创造了条件，也为北半幅主线的建成奠　快速、重载交通的需求，而且钢桁架桥架设速度　定了基础。由此可见，钢桁架桥在公路和城市道路　快，可以保证中断交通的时间最短。同时钢桁架桥　领域有其特殊的优越性，应用前景乐观。　还可以为城市和公路增添一道风景线。例如，建于　本文主要介绍位于大连市中心的新建菜市桥　１９０７年的上海市外白渡桥目前保留完整，而且成　上部结构的设计要点，可为以后公路、城市钢桁架　为上海市的标志景观之一。在公路领域也有许多　桥设计参考。　钢桁架桥。例如，广东开平市的齐塘桥（又名合山　桥）是建于１９３４年的中国第一高强钢公路桁架　１　工程概述　桥，桥全长６９．３　ｍ，可供２辆１５　ｔ重卡车并排行　现有老菜市桥长５１．５　ｍ，宽ｌ５．５　ｍ，是１９３１　驶，桥型为下承式单跨钢桁架，上弦为曲弦式，该　年建成的下承式曲弦钢桁架桥梁。该桥跨越铁路　桥至今完好；于１９７２年１月１日开工，同年ｌＯ月　码头线及多条站线，由于年久失修，许多杆件及铆　１日即建成通车的北镇黄河公路桥位于山东省滨　钉锈蚀严重，加之桥面经多年反复动荷载作用，疲　州市，全桥总长１　３９０．６１　ｍ，主桥为４×１１２　ｍ三　劳是该桥的极大隐患，该桥曾在１９９０年进行了维　收稿日期：２００６—０５—２３　修。现有老菜市桥位于大连市中心区域，老菜市桥　作者简介：黄侨（１９５８一），男，上海人，教授，从事桥梁工程科研　由于人车混行交通阻塞的情况比较严重，已经不　与教学工作。　能满足现有的交通状况，成为该地区的交通瓶颈。　本文从现场调研测试和结构数值分析两个方　【２１李晓光，周晶．在役钢筋混凝土拱桥病害分析和力学性能研　面，对湟水河大桥进行了病害诊断分析和受力特　究【Ｊ１＇防灾减灾＝＝Ｉ＝程学报，２００４，２４（１）．　性研究。可以看出，上述两种途径既互为补充，又　【３］ｔ技．旧拱桥的病害分析与贡量评价体系的建立…．公路交通　互为验证，可较为全面地反映出桥梁现存的主要　技术，２００５，９５（４）．　【４】黄小平，韦忠胜．盐津河大桥病害分析及加固【Ｊ］．公路２００６，１２　病害问题。由于该桥目前处于超载运营状态，各构　（７）．　件均已出现不同程度的损坏，所以急需进行加固　【５　Ｊ张启伟，袁万城，范立础．大型桥梁结构安全检测的研究现状与　维修。　发展【Ｊ】＇同济大学学报，１９９７，２５（ｓ）：７６—８１．　【６】王其祥．扩大拱肋截面加固双曲拱桥…．公路交通科技，１９９７，１４　参考文献　（４）．　【１】李惠彬，郑兆昌等．对国内外桥梁损伤诊断几种方法的评述【Ｊ】　［７】陈偕民，徐岳，毛瑞祥．危旧拱桥加固改造全过程的动力分析『Ｊ］．　工程力学。１９９８（ｓ）．４０７—４１４．　中国公路学报，１９９７，１０（１）．　【８　Ｊ李国豪．桥梁结构稳定与振动【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１９９２．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年１１月第６期　城市道桥与防洪　桥梁结构　５５　要解决这一区域的交通问题，必须对老菜市桥进　行改造拓宽。　大连市新建菜市桥位于现有老菜市桥西侧，　新建桥梁长５５　ｍ，主桁Ｆｆ１ｌ心距Ｉ４．５　ｍ，上部结构　为下承式钢桁架，材料为Ｑ　钢，设计荷载为城　Ａ荷载，人群活载按４．０　ｋＮ／ｍ　进行计算。按照现　一２００；纵梁为六道，断面为Ｈ型钢，型号为　ＨＷ２００×２００。纵梁布置在横梁的受压区，以增加　横梁的稳定性。　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。上弦水平横撑、斜撑断　，行规范要求，新建菜市桥的桥下净空为６＿８　ＩＴＩ，比　原桥抬高１．２　ｍ，为修建电气化铁路预留空间。桥　面均为Ｈ型钢，型号为ＨＷ２５０×２５０，上平联中间　还设有一个纵杆，断面为Ｈ型钢，型号为ＨＷ２００×　２００。下弦水平斜撑断面为Ｈ型钢，型号为　梁总体布置见图Ｉ。　ｌ　ｌ　Ｌ　堑　一一——ＬＬＬ　立画罔　ｌ上Ｉ　图１桥梁总体布置图　２　结构构造　新建菜市桥为下承式简支桁架桥，上部结构　由桥面板、桥面系、主桁、联结系和支座五部分组　成。　桥面板采用现浇钢筋混凝土连续板，板厚２４　ｃｍ，桥面板上设防水层及５　ｃｍ沥青混凝土层。桥　面板整体现浇于ｌ２个钢横梁上。混凝土强度等级　为Ｃ５０，受力钢筋为ＨＲＢ４００，构造钢筋为　ＨＲＢ３３５。　桥面系由横梁、次横梁、纵梁构成。一般铁路　桥桁架传力体系是：桥面系荷载传至纵梁，再由纵　梁传至横梁，然后由横梁通过节点传递至桁架杆　件。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。桥面系横梁　共１２道，断面为焊接工字形钢，钢板尺寸分别为：　２口６００×４０，１口６２０×２５（单位ｍｍ）。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混凝土　板与钢横梁共同工作，在钢横梁顶面设置了栓钉　剪力键，使钢横梁与桥面板形成钢一混凝土组合　梁共同受力。每两个横梁之间还设有一道次横梁，　次横梁共１　１道，断面为Ｈ型钢，型号为ＨＷ２００×　ＨＷ１２５×１２５。桥面系及联接系平面布置见图２。　下平联斜撑　上平联横撑　Ｌ／　７＼．＼Ｉ＼＼７　＼＼／　一０　，／一　＼　／／＼　／＼　／／＼　，一　　１３．　１５．　／１７．１８．　２０　２２　与主桁对应的节点号　【．　鳟　．１　下平联斜撑　俯：ｃｍ　图２桥面系及联接系平面布景图　主桁是钢桁架桥的主要承重结构。老菜市桥采　用５　ＩＴＩ节间，新桥如果不采用５　ｍ节间，将产生错　乱的感觉，破坏桥梁景观，司机在桥上行驶时也会　有混乱、压抑的感觉。因此新桥也采用了５　ｍ节问，　由于桥长５５　ｍ，这样势必造成了节问奇数，在中间　的节问采用腹杆相交的方法来避免受力不对称。　主桁上弦杆、下弦杆、竖腹杆、斜腹杆均采用　焊接工字形截面，端斜杆采用焊接箱形截面。杆件　具体形式见表１。　重！圭堑堑　墼亘　壅　錾　上弦杆　下弦杆　端斜杆　竖腹杆　斜腹杆　钢板　ｔ：：ｌ￣ｌ－２／￣６００　３２２￣６００　２４２／×　×　￣６０００　３２　×ｍｍ　ｍ）ｍ　）１Ｅ３５３６×２４１￣５５２×２０　２￣５３６×２４　蔷票鼎　‘叠　叠　桥梁的主桁杆件多采用焊接工字形截面，连　接系杆件多采用Ｈ型钢，而没有采取工字钢，主　要是由于本桥主要杆件均采用高强螺栓连接，焊　接工字形截面和Ｈ型钢具有宽且平的翼缘，满足　高强螺栓设计、施工要求。　对于公路简支桁架的经济梁高大致为跨径的　（１／５．５　１／８），本桥为曲弦钢桁架桥，高为６．５　ｍ～　维普资讯 http://www.cqvip.com

５６　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００６年１１月第６期　８．５　ｍ（ｈ／Ｌ：１／６．５～１／８．５）。合理的节间长度为（０．６～　０．８）ｈ，本桥节间长度为５　ｍ（　０．６７　ｈ），本桥斜杆　倾角（斜杆轴线与竖直线的交角）为３０。一３８。，在　３０。～５０。范围内。　３主桁有限元分析　计算中分别采用平面和空间两种建模方法进　行主桁的有限元分析，并对结果进行了对比分析，　单位：ｍｍ　结果表明平面和空间有限元分析结果吻合很好。　图３桥面横向布置图　３．１平面模型分析　３．２空间模型分析　平面模型采用自编程序Ｓｔｒｕｅｔ进行计算。桥面　空间模型采用ＳＡＰ２０００（Ｖｅｒ　９．０．４）结构分析　横向计算依据桥面横向布置见图３。由于横向布置　软件建模并分析。图５为全桥三维空间模型，其中　不对称，一侧无人行道且设置防撞墩，分别按两片　两片主桁架上弦（ａ）、下弦（ｂ）、斜腹杆（ｅ）和竖腹　桁架的横向影响线进行最不利布载，对两片桁架　杆（ｄ）采用空间杆单元，桥面系中横梁、次（横）　分别进行分析，单片桁架计算模型见图４。每片桁　梁、纵梁采用梁元（次要单元未标出）。桥面板、桥　架２３个节点，４４个单元，按简支桁架进行分析。　面铺装、人行道板、防撞墩等其它部分自重折算为　图４单片桁架平面计算模型　均布荷载施加于桥面系各单元上。桥长为５５　ｍ，　一．墨！．±亘墨皇　型　墨堕墨　一一一一　两片主桁间距ｌ４．５　ｍ，跨中桁高８．５　ｍ，支点处为　平面模型　空间模型　杆件容　６．０５　ｍ。节间５．０　ｍ，共１１个节间。　嚣ＩＡ（　（　）　（ｋＮ）　（ｋＮ）　Ｂ．主　上弦５７１７．０５　０．０５１２６　１１１．５２　５５６８．２５　０．０５１２６　１０８．６２　１５８．１　ｃ．主桁　下弦一５５４０．３１　０．０３９￣一１３９．０６—４１３９　４７０．０３９Ｍ一１０３．９０　１９０　端斜杆３９５５．２１　Ｏ．Ｏ５６４５　７０．０７　３９９０．１３　Ｏ．Ｏ５６４５　７０．６９　１５８．１　竖杆－９７３．２７　０．０１５１４—６４．３０—９１５．０６　Ｏ．０１５１４－６０．４６　２ｏｏ　罂　一２５０１．３２０．０２４３２—１０２．８５—２５６７．０５０．０２４３２—１０５　５５　１９０　图５空ｌ司计算梗型　蹬　１７９４．６０　０．０２４３２　７３．７９　１７６５．７８　０．０２４３２　７２．６１　１７１　平面模型及空间模型计算结果对比见表２　注：】．表中内力符号意义，正号表示压力。负号表示拉力；　（表中数值均为同类杆件中受力最不利者）。　２．杆件容许应力是考虑了稳定－｝生的容许应力　仃】。　由表２可见，平面模型及空间模型的计算结　简化为一个简支的钢一混凝土组合梁进行计算，　果吻合很好，计算应力均小于杆件容许应力。钢桁　钢材为Ｑ　钢，混凝土强度等级为Ｃ５０。一期恒　梁各构件及连接的疲劳验算按《公路桥涵钢结构　载由钢横梁承担，二期恒载和活载由钢横梁和混　及木结构设计规范》ＪＴＪ０２５—８６中的相关规定进　凝土桥面板构成的组合截面承担。由于钢横梁间　行，经计算各构件及连接的疲劳应力均小于容许　距为５ｍ，恒载计算时，按桥面板、纵梁、次横梁、桥　应力值。　面铺装、栏杆、人行道板、防撞墩沿纵桥向５　ｍ长　４横梁设计　度范围内的重量作用到横梁进行计算，活载按车　辆荷载布置在横梁影响线最不利位置进行计算。　横梁是本桥的主要承重构件，设计时将横梁　计算模型和断面形式如图６。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年１　１月第６期　城市道桥与防洪　桥梁结构　５７　ｂ，——工字形钢梁受压翼板的宽度；　ｈ，、　——钢梁腹板高度和厚度；　ｂ、ｔ——钢梁受压翼板的宽度和厚度。　相　单位：ｃ　５　结论　大连市菜市桥处于市中心且跨越多条铁路　线，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和铁路车辆的正常运营。　菜市桥桥型美观，新旧两桥交相辉映，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　图６梗粱计算模型　对横梁进行了使用阶段应力验算、挠度验算、　抗弯承载力验算、抗剪承载力验算及稳定验算，还　程中应用具有一定的优越性。本文介绍大连市新　对横梁上的栓钉剪力键进行了设计，分别用弹性　建菜市桥上部结构的设计要点，包括结构构造、主　分析法和塑性分析法计算了栓钉剪力键的数量并　桁平面及空间模型的建立与计算结果对比和钢横　进行了比较分析。计算结果见表３。　梁的设计等。结果表明，本设计选取主桁杆件为焊　接工字形截面和Ｈ型钢可以满足高强螺栓的设　一一　．墨呈垡墨　苎堕墨　璺墨　一一一　计和施工要求，采用平面和空间分析主桁的结果　一　垡旦堕墼堕　堕　堕史　兰　！　钢梁上缘应力容许值钢梁下缘应力容许值　壶　容许值　吻合很好，考虑桥面板与钢横梁作为钢一混凝土　组合结构共同工作符合实际结构工作状态。本文　６３．８５　２０８．８　１４９．０３　２０８．８　５．７９　２２．０５　使用阶段挠度验算（跨中）单位：ｍｍ栓钉剪力键设计单位：个　可供以后公路、城市钢桁架桥设计参考。　汽车　容许值　弹性设计法塑性设计法　７．９５　２３．７１　２７３　３４９　参考文献　［１】周远棣，徐君兰＋钢桥［Ｍ】．人民交通出版社，ｌ９９０．　［２】黄侨．桥梁钢一混凝土组合结构设计原理［Ｍ　Ｊ．人民交通出版　社．２００４．　稳定性验算　【３忡华人民共和国交通部发布．公路桥涵钢结构及木结构设计　整体稳定　腹板局部稳　翼板局部稳　规范Ｊ＿ｒＪ０２５—８６［Ｓ］．１９８８．　性验算　容许值定性验算　容许值定性验算　容许值　ＪＪ／　ｈｒ／ｔｒ　上，／ｔ　［４】夏军．８Ｏ　ｍ跨径下承式简支焊接钢桁架桥的设计与施工［Ｊ１．桥　２４．８　６５．Ｏ９　７　１２．２　梁钢结构，２００２．　［５】王定文，刘爱荣，赖泉水．三角形箱形截而无节点板全焊钢桁架　表中，ｊ】——受压翼缘侧向支承点的距离；　人行天桥【Ｊ１．桥梁建设。２００２．　连云港机场公路建成通车　ｌ０月２２日上午，连云港市今年十大工程之一的连云港机场专用公路建成通车。当天，３２３省道新牛　一级公路（改建工程）同时宣告通车。　始建于去年１１月的连云港机场公路，总投资９　５００万元，起于徐连高速公路平明出口，途经东海县　平明镇、白塔埠镇，止于连云港机场，全长ｌ０－８　ｋｍ，双向４车道。该机场公路是连接连云港飞机场与连　徐高速公路的快速空港通道，车辆从此处通过连徐高速进入连云港市区，继而转入港城大道，只需４０　ｍｉｎ车程即可达到连云港港口。　“浙江高速第一跨＂主体工程完工　最近，杭千高速施工难度最大的金竹牌大桥主体工程完工。金竹牌大桥位于杭千高速淳安段，全长　１　３４３　ｍ，其跨度２５２　ｍ、重达２　０００多吨的主桥，不设一根桩基，犹如一道彩虹，悬空横跨湖面。　金竹牌大桥主桥所采用的上承式钢管拱桥技术，在浙江省高速公路桥梁建设中，尚是首次使用，技　术难度非常高。而２５２　ｍ的跨度，也创下浙江省高速公路桥梁之最，被誉为“浙江高速第一跨”。