单层钢桁架桥结构受力分析

韩中雷 临康西安市政设计研究院有限公司

摘要: 以安顺市奉新快线单层钢桁架桥梁建设工程为例，基于Midas等软件建立了钢桁架有限元模型。 通过分析各构件的硬度、结构内力、位移、支撑反力以及桥梁的整体稳定性进行估算和分析，发现钢桁架结构在各种荷载作用下均能满足规范要求，且结构设计合理。

关键词：桥梁工程； 钢桁架桥； 桥梁设计； 结构分析;

作者简介：韩中雷(1978-)钢结构挠度检测，男，中级工程师，从事道路桥梁工程相关工作。 ;

0前言

钢桁架桥结构自重小，具有挠度大、跨越能力强、施工速度快等优点，在城市公路工程中得到广泛应用。

1项目概况

宜宾奉新快速线项目是赣州市中心核心区的一条东西向高速公路，连接中心城核心区和新浦新区，服务老城区、丁子口片区、中华路片区、环城路片区等中心城市核心区对城市发展发挥着重要支撑作用。 项目西起遂宁市公交公司，东至黎上市，全长约3.7公里。

主桥采用单层钢桁架连续梁，设计荷载为城市A级； 标准路段宽度31m，上下路面均设置单向六车道； 设计速度60公里/小时； 桥梁设计参考期为100年； 防腐年限20年； 抗震设防烈度6度，地面振动加速度峰值0.05g，场地类型为II类。

2 钢桁架桥梁结构分析与估算 2.1 钢桁架结构概述

宜宾奉新快线工程大桥主桥为三跨连续单层钢桁梁桥。 高速公路中心线跨度为46.667m+92.564m+80.769m=220m。 道路上下层纵坡均为0.3%，单向挠度均为1.5%。 钢桁架桥由主桁架和主横桁架组成。 主桁架采用沃伦式桁架体系，钢梁均为斜杆。 桥梁总宽度32.32m。 跨桥方向设置三根桁架梁，即主桁设置在桥梁两侧和中央隔离区。 两主桁架中心距15.5m，主桁架高度13.006m。

路面系统是正交各向异性钢桥面板。 铺装板厚度为16mm，U肋规格为320×240×8mm，标准U肋宽度为620mm。 梁的宽度为桁架节点的宽度，约为12m。 梁间有4根横肋，横肋间距约为2.4m。 钢桁架桥结构如图1所示。

图1 桁架桥结构方法（单位：米） 下载原图

2.2 钢桁架主要材料参数

钢桁架桥主体结构采用Q390D材质，部分附属结构采用Q235C材质。 钢材各项性能符合现行国家标准《低合金高硬度结构钢》（GB/T1591-2008）的要求：弹性挠度E=2.06×105MPa，剪切挠度G=0.88×105MPa。

2.3 钢桁架的预计荷载

(1)自重：结构的自重由程序手动记录。 主桁架、拼接板、节点板、桥面系统、桁架间纵向连接系统的熔池重量按自重的15%记录在路面系统中。

（2）根据实际情况记录第二期恒载：①桥面铺装（7cm浇筑沥青铺装）：1.61kN/m2； ②桥面防撞墙（单侧荷载，右侧总）：6kN； ③人行道结构（单侧荷载，右侧总荷载）：3kN。 ④中央隔离带绿化荷载：18kN/m。

（3）活荷载：①城市A级，六车道； ② 人群荷载依据《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）。

（4）温度：最高温度40.0℃，最低温度-25℃，结构设计温度-25~40℃。

(5)风力：考虑纵向静风荷载。

2.4 钢桁架静力分析条件及估算内容

(1)钢桁架静力分析的主要工况：①恒载； ②恒荷载+活荷载（车道荷载+人群）； ③恒载+活载（车道荷载+人群）+温升+风荷载； ④ 恒荷载+活荷载（车道荷载+人群）+温降+风荷载； ⑤ 疲劳I载荷； ⑥ 恒载+1/2车道荷载。

(2)钢桁架的主要估算内容：①主要桁架构件在极限承载力状态下的硬度和稳定性估算； ② 主要桁架构件的疲劳估算； ③正交异性钢桥墩极限承载状态下的挠度估算； ④ 支持座位预估等。

2.5 钢桁架分析模型的建立

全桥静力分析采用线弹性空间分析方法，采用MidasCivil2012软件进行建模与估算。 主桁架、横梁、横肋、下部平行节点等构件采用空间梁单元，每个节点有6个自由度； 路面面板采用板单元模拟，每个节点有6个自由度。 结构三维模型及弦截面分别如图2、图3所示。

图2 结构3D模型下载原图

图 3 和弦部分 下载原始图像

2.6 桥梁风荷载参数

该工程桥梁结构具有“大跨度、宽桥面”的特点，为结构抗风奠定了良好的基础。 同时该桥具有“自重轻、减振弱”的特点。 为了保证桥梁结构的安全，需要对结构的抗风能力进行校核。

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）《全国基本风速值及基本风速分布图》附录A，最大风速贵阳地区离地高度10m处，100年重现周期为V=24.9m/s。 该桥位于凯里市，设计基本风速为V10=24.9m/s。

3 钢桁架桥梁结构估算结果 3.1 钢桁架结构位移分析 3.3.1 桥梁恒载位移

在估算恒载作用下的位移时，考虑的荷载条件是钢结构自重和第二阶段恒载。 此时，恒载效应的分项系数均为1.0。 全桥在恒载作用下的竖向位移如图4所示。

图4 恒载作用下全桥竖向位移（最大44.5mm） 下载原图

3.3.2 风荷载作用下结构的纵向位移

估算风荷载作用下的位移时，考虑荷载条件：设计基准风速为24.9m/s的纵向静风荷载。 此时风荷载效应分项系数为1.0。 预计风荷载作用下最大纵向位移为2.2mm。

3.3.3 活荷载下竖向应力极限的估算

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）第4.2.3条规定，连续桁梁在车辆车道荷载频率（频率系数1.0）作用下的竖向应力极限为L/500 ，其中 L 是估计跨度。 该桥预计最大跨度为92.564m，该桥最大竖向应力极限为92.564/500m=0.185m=185mm。 经测算，该钢桁架桥在车道频繁荷载值下的最大应力为21.5mm，大于极限值，满足规范要求。

3.3.4 恒载+1/2车道荷载下的结构变形估算

参照《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）第4.2.4条规定，钢桥预弯设置应按结构自重标准值加1/2计算。车道载荷频率值（频率系数1.0） 设置产生的应力。 经测算，全桥在恒载+1/2车道荷载作用下最大竖向位移为74mm，需设置预拱钢结构挠度检测，中部设置向下74mm的预拱。跨度。 有关预外倾角设置，请参见图 5。

图5 预外倾设置示意图 下载原图

3.4 桁架构件硬度和稳定性的估算

对于主要桁架构件，根据拉/压弯曲预制构件进行硬度校核，并考虑局部稳定效应。 同时，对弯曲预制构件的整体稳定性进行了估计。 详见《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）的相关规定。

3.4.1 构件硬度估算

构件硬度估计包括上弦硬度估计、下弦硬度估计、腹杆硬度估计、端梁硬度估计和端部压缩柱硬度估计。 估计每根棒材的硬度均符合规范要求。

3.4.2 杆稳定性估计

对上弦杆、下弦杆、腹杆和端部受压柱进行了稳定性估算，发现各杆件稳定性均满足标准要求。

3.5 正交异性钢桥墩挠度估算

参考《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），估算了正交异性钢桥墩关键细节在承载力极限状态下的挠度。 经估算，正交异性钢桥墩挠度（见表1、表2）均满足规范要求。

表1 正交异性钢桥墩引桥挠度汇总表 下载原图

表2 正交异性钢桥墩下桥墩挠度汇总表 下载原图

3.6 桁架预制构件的疲劳估算

这座桥的建设规模很大。 对于主要预制构件来说，恒载引起的挠度明显小于车辆荷载引起的挠度。 但接头采用螺栓连接而非钎焊，具有更好的抗疲劳性能，因此疲劳设计仅针对道路系统。 路面系统的抗疲劳设计是根据相同尺寸参数的路面面板的实际情况进行的，因此桁架预制构件满足抗疲劳要求。

3.7 支撑反力

该桥采用球面支座，满足各种组合的要求。 其布置如图 6 所示。

图 6 轴承布局 下载原图

4。结论

综上，本项目建立了桥梁的有限元模型，对钢桁架桥的空间结构和平面结构进行了估算和分析，发现主要构件的硬度和稳定性满足规范要求。 但后期仍需加强检查和管理工作，以延长桥梁的安全使用寿命。

参考

[1]吴冲. 现代钢桥[M]． 上海：人民交通出版社，2006。

[2] 李亚东. 桥梁工程概论[M]． 上海：东北交通大学出版社，2006。

[3] 王成利，徐明恕． 高速铁路桥梁[M]． 上海：中国铁道出版社，1997。

[4] 赵廷恒. 桥梁钢结构详细设计[M]：北京：东北交通大学出版社，2011。

[5]周元地，徐俊兰。 钢桥[M]． 上海：人民交通出版社，1990。