钢桁架桥梁的结构设计分析 ■陆耀清 钱海涛 （１．苏交科集团股份有限公司，南京２１００１９；２．江苏省交通技师学院，镇江２１２００６） 摘要 铜桁架结构自重较小，具有较大的刚度，适合跨度较大的桥梁结构。本文 以某航道桥梁工程为依托，建立铜桁架桥梁的有限元模型，对其承载力和应力进行计 算分析，并对桥梁整体结构的稳定性进行验证。 关键词 桥梁工程铜桁架结构桥梁设计 结构分析 １ 工程概况 本项日位于昆山市，跨越三级航道，通航净空６０ｘ ７ｍ。本次航道提升，航道向两侧拓宽，老桥不能满足通航 净空要求，需拆除新建。桥梁平面ｉ￣ｆｉ－Ｈ＃，控制与航道合 理交角，两端接线顺接现有规划道路，并尽最减少建筑、 管线拆迁以及对旧路的废弃。 图１ 主桥钢桁架计算模型 桥梁主侨采用钢桁架侨一跨跨越航道，桥跨布置为 ３ｘ（４ｘ３０）ｍ预应力砼组合箱梁＋９１．２４ｍ钢桁架桥＋（６ｘ３０）ｍ 预应力砼组合箱梁的跨径布葺，桥梁全长６３８．２６ｍ。主桁 采用变高度带 杆的华伦式三角形腹杆体系，主桁上下 坎杆均采用箱形截而，桥厕系为结合梁，由下部的钢梁和 上面的混凝 桥面板结合 成，其钢梁部分采用纵横梁 体系．上、下平而纵向联结系均采用Ｘ形式，与恢杆在节 桥梁结构的受力状态与桥梁荷载密切相关，施工荷 载随着工程施工要求不断变化，需要根据施工流程进行 桥梁受力状态分析。本次桥梁施１＝＝包括桁架支架拼装、施 工纵横向连接和铺桥面板、施工二期荷载、桥面系等附属 设施施Ｔ等几项内容．桥梁结构按照恒载＋温度荷载＋活 载的标准组合进行计算分析 。 上弦杆截面以受 为主．根据计算结果，上弦杆上缘 点处十｝］连，以抵抗横向风衙载、竖向荷载及弦杆变形等产 生的内力 丰墩采用薄壁式墩，基础采用 １．２ｍ钻孔灌 最大压应力为１６０．５ＭＰａ。根据铁路钢桥规范条文说明表 ３．２．１ 。钢板厚度应力折减，１６－３５ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容 许应力为１９１．ＩＭＰａ，考虑１．０５倍弯曲应力提高系数为， 注桩。侨梁荷载等级按公路一Ｉ级标准，人群荷载按照《城 市桥梁设计规范｝（ＣＪＪ １ １－２０１ １）的相关要求取用…。 ３５ ５０ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为１８５．３ＭＰａ，上弦杆 强度满足规范要求。上弦杆为受压构件，还需验算杆件的 ２主桥钢桁架平面单桁计算分析 主侨采用９０ｍ跨钢桁架结构，主桥标准宽度按照４ 个行车道和１个人行道进行计算，桥而板采用Ｃ５０混凝 ｔ。设计抗 强度２２．４ＭＰａ，抗折强度１．８３ＭＰａ，容重为 ２６ｋＮ／ｍ ．弹性模量为３．２５ｘ１０４ＭＰａ。本工程按照公路一Ｉ 级荷载进行设计，按４车道计算，考虑横向折减，人群荷 稳定性。检算中心受『玉构件的总体稳定时，其轴向容许应 力的折减系数‘ｐ１可根据钢种的规定确定Ｉ Ｉ。上弦杆结构 为箱形断面。选取刚度较弱的方向验算结构稳定，稳定性 验算结果见表１，单桁模型计算中上弦杆强度及总体稳 定满足规范要求。 载按照《城市桥梁设计规范》（ｃｊＪ ｌ１—２０１１）取用，二期 恒载包括桥＿而板、铺装、护 蓐量、沥青铺装厚度。温度 作用考虑整体升温３０℃和整体降温３０℃下对钢结构桥 梁的影响。本计算采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ，建立平而单桁有限 考虑各种工况景不利组合情况，下弦杆截面以受拉 为主，下弦杆最大拉应力１５２．９。根据铁路钢桥规范条文 说明表３．２．１ ，钢板厚度应力折减，ｌ６～３５ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ 钢板容许应力为１９１．１ＭＰａ，３５～５０ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容 许应力为１８５．３ＭＰａ，下弦杆强度满足规范要求。根据铁 路钢桥规范第４Ｉ３．１条，凡承受动应力的结构构件或连接 元模型１２］，采用梁单元模型，全桥共计采用２４个节点，５７ 个单元，主桥钢桁架计算模型见图１。 福建交通科技２０１７年第５期Ｉ ５６ 表１上弦杆稳定验算表 件，应进行疲劳验算。构件的疲劳强度验算按规范中的公 式计ｔ算，对于只承量压力的构件卡¨临时结构物的构件。可 不验算疲劳强度 、以压力为主兼，运拉力的构件，在验算疲 劳强度的同时，还应验算整体稳定性。下弦杆杆件均为受 ５０ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢扳容许 力为１８５．３ＭＰａ，腹杆强度满 足规范要求。按现行公路钢结构桥梁没汁七圯范，凡承鼍动 应力的结构卡勾件或连接件， 逆上行疲劳验强 、由计算结果 知，受拉腹朴应力满足＿夫见范 求，受拉骏杆强度及疲劳 强度均满足枷范要求。 考虑 种］ 况最不利组 情况，Ｆ】、Ｆ３、Ｆ５腹杆鼓而 扎杆件，需验算杆件疲劳强度 、根据铁路钢 规范第 ４。３．５条对下弦杆进行疲劳验算，验算结果显示备杆件应 力幅在允许范 内，下弦杆强良及疲劳强度均满足规范 求Ｉ 斜愎杆分两种，除验算抒件融力强度外， 劳强度，无需验隳总体稳定性 以受 为主， 腹杆最大 应力为一１３２．８ＭＰａ。考虑铜 板 度折减厉，１６—３５ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢扳容许应力为 腹杆验 １９１．１ＭＰａ，３５￣５０ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为 ｌ８５．３ＭＰａ，愎朴强度满足规范 求。愎朴需验算杆件的 整体稳定性，按现行公路钢结构侨梁设计姚范．检算中 算杆件总体稳定 ，无需验算疲劳强度；受托杆件验算疲 考虑各种丁况最不利组合情况，Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６腹杆截面 以受拉为主，受拟腹杆最大拉应力为１３６．５ＭＰａ 根据铁 路钢桥规范条文说明表３．２．１．钠扳厚度啦力折减，３５～ 心受 构件的总体稳定时，其轴向容许应力的折减系数 ‘ｐＩ可根据钢种按照规定确记，腹杆整体稳定性验算结 表２、 表２腹杆整体稳定性验算 腹杆结构为箱形断面，Ｆ３、Ｆ５腹杆为｝：字形断面． ¨恒杆选取 向平面（非挢门架平而），Ｆ３、Ｆ５恒扦均选 ３主桥钢桁架空间结构计算分析 为简化计算，可将｝养跨结构划分成若十 面系统进 行分忻，但也考虑各个平 系统的共同作用卡¨相互影响 、 取丽内和 外方向验算结构稳定。表２的验算结果表明， 斜腹杆 隐定性满足规范要求。 木桥侨宽较宽．空间量力影响不可忽闯，对 桥建立空间 考虑各种 ，最不利组台情况，竖杆截丽以受拉为 二维有限死模 进行计算．＝．侨梁计算参数和茼载组合与 受拉竖杆最大拉应力为１０４．６ＭＰａ。容 应力为 梁计算参数 致。主轿采川９０ｍ跨钢晰架结构 本计 算采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ，建立宅问有限元模型．采用梁单元模 型，全侨共计采用４２３个节点，５７６个单元 ．成桥状态计 算模型见 ２。忏亍架节点处释孜腹杆转动约束，进行主桥 ２ｌ０ＭＰａ，竖杆强度满足规范要求。按现行公路钢结构桥 梁设计规范， 扦最大疲劳验算应力幅为小下容许应力 幅 杆强度及总『本稳定、疲劳强度均满足规范婴求。 ｝５７福建交通科技Ｉ ２０１７年第５期 Ｊ Ｉｊ■－ＩＩｒ．１ ＿Ｉｍ＿—■’ｄｒ －ｒ．ｊ＿ｌ＿＿＿ 』 璺簋 铡桁架空间结构计算分忻 、、～ ３．２．１．钢板厚度应力折减．１６～３５ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许 应力为１９１．１ＭＰａ，３５～５０ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为 ｌ８５．３ＭＰａ～ 弦杆强度满足规范要求。 上弦杆为受压构件。需验算杆件的稳定性。检算中心 受压构件的总体稳定时，其轴向容许应力的折减系数‘ｐ１ 可根据钢种相关规定确定。上弦杆结构为箱形断面，选取 刚度较弱的方向验算结构稳定，稳定性验算结果见表３。 图２主桥钢桁架空间结构计算模型 由表３的计算结果可知，空间模型计算结果上弦杆 应力最大达１７４ＭＰａ，满足规范要求。 能杆截而以受Ｊ｛ ，计算结果表明，Ｌ弦杆最人 应力为一ｌ７４．０ＭＰａ根据铁路钢｛乔规范条文说明表 考虑各种工况最不利组合情况，下弦杆截面以受拉 表３上弦杆稳定验算表 为主．下弦杆最大拉应力为１ ８４．０ＭＰａ。根据铁路钢桥规 以受拉为主，受拉腹杆最大拉应力为１３２．８ＭＰａ。根据铁 路钢桥规范条文说明表３。２．１，钢板厚度应力折减，１６～ ３５ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为１９１．１ＭＰａ，３５￣５０ｍｍ 厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为ｌ８５．３ＭＰａ。最大应力杆件容 许应力为１９１．１ＭＰａ，腹杆强度满足规范要求。按现行桥 梁钢结构设计规范，凡承受动应力的结构构件或连接件， 应进行疲劳验算。由计算结果可矢【】，受拉腹杆应力满足规 范要求，受拉腹杆强度及疲劳强度均满足规范要求。 考虑各种工况最不利组合情况，Ｆｌ、Ｆ３、Ｆ５腹杆截面 以受压为主，受压腹杆最大 应力为一１７７．０ＭＰａ。考虑钢 板匣度折减后，１６～３５ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为 ｌ９１．１ＭＰａ，３５～５０ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为 范条文说明表３．２．１，钢板厚度应力折减，１６—３５ｍｒｎ厚 Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为１９１．１ＭＰａ，３５～５０ｒａｍ厚Ｑ３４５ｑＤ 钢板容￣午应力为１８５．３ＭＰａ Ｆ弦杆强度满足要求。根据 铁路钢桥第４－３．１条。凡承受动应力的结构构件或连接 件，应进行疲劳验算。构件的疲劳强度验算按照规范中的 公式计算，对于只承受 力的构件和临时结构物的构件， 可不验算疲劳强度。以 力为主兼受拉力的构件，在验算 劳强度的同时，还应验算整体稳定性。下弦杆杆件均为 杆件，需验算杆件疲劳强度。根据铁路钢桥规范第 ４．３．５条对下弦杆进行疲劳验算，验算结果显示各杆件应 ，Ｊ幅在允许范围内。 斜腹杆分二种类型仟件验算，除验算杆件应力强度 ｌ８５．３ＭＰａ。腹杆强度满足规范要求 腹杆需验算杆件的整 体稳定性，按现行公路钢结构桥梁设计规范，验算中心受 构件的总体稳定时，其轴向容许应力的折减系数‘ｐｌ可 根据钢种规定确定，稳宅性验算结果见表４。 外．受 腹杆验算杆件总体稳定性，无需验算疲劳强度； 鼍 杆件验算疲劳强度，无需验斡总体稳定性。 考虑各种丁况最不利组合情况，Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６腹杆截面 表４受压腹杆的稳定性验算 福建交通科技２０１７年第５期ｌ ５８ １ 根据空间模型计算结果，空间模型汁算结果上弦杆 应力最大达ｌ７７ＭＰａ 满足规范要求。 考虑各种工况最不利组合情况，竖杆截面以受拉为 主，受拉竖杆最大拉应力为ｌ３８ＭＰａ。容许应力为 ２１０ＭＰａ，竖杆强度满足规范要求。竖杆最大疲劳验算应 规范要求。 根据公路钢结卡勾侨梁设汁规范，对十钢桁梨结构桥 梁．活绒 向挠度不应超过Ｌ／８００，其中ｌ 为｛：乔梁跨径。主 桥计算跨 为９０ｍ 、活载竖向挠度限值为ｌ １２ｒａｍ ．由计算 结果可矢【］，活载作用下跨中挠度最大约为４２．３ｒａｍ，故活 载产生的挠度为４０．２ｍｍ，小于规定数值１ｌ２ｒａｍ，满足规 范要求。 力幅为小于容许应力幅竖杆强度及总体稳定、疲劳强度 均满足规范要求。 横梁按照车辆荷载加载，纵梁与横梁铰接，横粱不考 ４桥梁整体结构计算分析 虑桥面板共同作用。考虑各种工况最不利组合情况，横梁 为受弯构件，在标准组合下，横粱截面上缘以受 为主， 下缘以受拉为主。截面最大应力为１７７．８ＭＰａ。根据铁路 钢桥规范条文说明表３．２．１，钢板厚度应力折减，３５～ ５０ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为ｌ８５．３ＭＰａ。横梁强度 满足规范要求。根据公路钢结构桥梁设计规范，检算受弯 构件的总体稳定时，其轴向容许应力的折减系数‘ｐ２应按 计算构件的换算长细比入ｅ确定。由于横梁通过剪力键和 桥面板连接，侧向不会失稳。而当失稳平面和验算弯矩平 面一致时候，按照规范‘ｐ２应取１．０。 考虑各种１－况最不利组合情况，小纵梁为受弯构件， 在标准组合下，小纵梁截面最大应力为９９ＭＰａ。考虑钢板 厚度折减后，１６～３５ｍｍ厚Ｑ３４５ｑＤ钢板容许应力为 １９１．１ＭＰａ。小纵梁强度满足规范要求。根据公路桥梁钢结 构规范，检算受弯构件的总体稳定时，其轴向容许应力的 折减系数‘ｐ２应按计算构件的换算长细比ｈｅ确定。由丁 横梁通过剪力键和桥面板连接，侧向不会失稳 而当失稳 平面和验算弯矩平面一致时候，按照规范‘ｐ２应取１．０。故 小纵梁梁整体稳定验算满足规范要求。由以上计算结果 可知，小纵梁杆件的强度及总体稳定、疲劳强度均满足规 范要求．． 考虑各种工况最不利组合情况，横联及侨 架杆件 在标准组合下．截而最大应力为７３．２ＭＰａ。仟件容许应力 为２１０ＭＰａ，横联及桥门架杆件强度满足规范要求 考虑 各种工况最不利组合情况，上平纵联杆件在标准组合下， 截面最大应力为１０８．１ＭＰａ。考虑钢板厚度折减后，上平 纵联杆件强度满足规范要求。考虑各种工况最不利组合 情况，下平纵联杆件在标准组合下，截而最大应力为 １０１．４ＭＰａ。考虑钢板厚度折减后，下平纵联杆件强度满足 桥梁稳定 ’算考虑荷载包括自蕾、二期苘载、人群荷 载、汽车荷载，通过模型计算对不同稳定安全系数下（Ｋ 取ｌ３．９、１４．０、１４．８、１５．０、２０．６）的失稳模态进行分忻 ｌ 在成 桥工况下，一类稳定安全系数Ｋ＝ｌ３．９，根据ｒｊ程 践，面 外稳定系数达到４．０以 ，可以认为本桥稳定性满足要 求。 ５ 结论 建 桥梁仃限冗模型对其平面结 、 问结卡勾的强 度乖｛１稳定性进行汁算分沂，得出如下结论： ｆ１１根据单桁平面杆系计算模 计算结果，主桁杆件 应力满足强度，｝）乏稳定性验算要求。 ｆ２１根据全侨空间计算模型计算结果，士惭ｌ卡Ｔ件应力 满足强度，Ｉ）乏稳定性验算要求，横梁、纵梁、横联、 下平联 等ｌ卡Ｆ件受力满足婴求，主梁结构刚度满足 池要求。 ｆ３１土桥‘ 稳定安全系数满足要求．． 参考文献 Ｉ１ｌ中华人民共和国住房和城乡建设部．ＣＪ＿ｌ １１－２０１１，城市桥梁设计 规范ｌＳ１．北京：中国建筑工业出版社，２０１１． ［２Ｉ－￣Ｌ倩．甄羡超．李硕娇基于Ｍｉｄａｓ的大跨度钢桁架桥梁结构有限 元分析【Ｊ１．上海水务，２０１６，３２（２）：１９－２１． 【３】方明霁，孙海涛．大跨度钢桁架拱桥的极限承载力研究ｌＪｌ世界桥 梁．２０１０（４）：３５－３７． ［４１中华人民共和国铁道部．ＴＢ １０００２ ２—２００５．铁路桥梁铜结构设计 规范ＩＳ１．北京：中国铁道出版社，２００９． 【５１谭燕秋，吴欣．宫玉侠．大跨度钢桁架桥梁结构的模态分析…．中国 建筑金属结构，２０１４（１２）：卜２． Ｉ６１５＇１锦．铜桁梁桥结构安全性分析…．公路交通技术，２０１６（１２）：１～１０． ［７１５－新堂，杨晓明，李俊华．平面预应力钢桁架整体可靠性分析【Ｊ】．特 种结构．２００５．２２（４）：６１—６４． 【５ ９ｌ福建交通科技２０１７年第５期
