蔣 義

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

1 工程概況

本橋上跨河流為規(guī)劃Ⅲ級航道， 通航凈空：70×7 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用80 m(圖1)下承式簡支鋼桁架，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 結(jié)構(gòu)立面

主橋桁梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用節(jié)點外全焊接連接方式，主桁采用雙腹桿體系三角桁，節(jié)間長度6～8 m，高跨比為1/8[1]。兩片主桁主心距采用9 m，寬跨比為1/8.9。兩側(cè)桁架區(qū)間寬0.75 m。主桁弦桿采用箱形截面，上弦桿高度600 mm，下弦桿高度800 mm，水平寬度全橋取500 mm，根據(jù)弦桿受力不同，上下翼緣板厚度取16～24 mm，腹板厚度取16～24 mm。 除端斜桿采用箱形截面以增加面內(nèi)外剛度外其余斜腹桿均采用工字形截面，高度取500 mm，寬度取460 mm，翼緣板厚20～24 mm，腹板厚16～30 mm。 上平聯(lián)橫撐、斜桿采用工字形截面，其中翼緣板寬320 mm，厚12 mm，截面高度為320 mm，腹板厚12 mm。 鋼桁梁兩端設(shè)置橋門架，箱形截面，翼緣板厚16 mm，腹板厚16 mm。橫向聯(lián)結(jié)系布置于A3、A3'、A5 和A5'位置，全橋共4 道，上端與上平聯(lián)橫桿焊接，下端與斜腹桿交叉點焊接。 橫向聯(lián)結(jié)系桿件采用工字形截面，截面高度、寬度均為240 mm，板厚12 mm。

鋼橋面由橋面板、橫梁及縱肋3 部分組成，其中鋼橋面板板厚20 mm，全橋縱、橫向連續(xù)，縱向與下弦桿焊接。橫梁在每一桁架區(qū)設(shè)置2 道，全橋共23 道橫梁，布置間距3000～4000 mm，采用工字形截面，上翼緣兼做橋面板，弦桿間橫梁高800 mm～826 mm， 橫梁腹板厚16 mm，支座位置端橫梁腹板厚24 mm,下翼緣寬500 mm。 標準寬度范圍內(nèi)， 橋面板下部共設(shè)置了10 道U 肋和四道防撞護欄下一字肋。 U 肋高280 mm，厚8 mm，間距600 mm；一字肋高240 mm，板厚20 mm。

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 設(shè)計參數(shù)

(1)主橋標準寬度：0.5 m(主桁弦桿)+0.25 m(檢修道)+0.5 m(護欄)+7.0 m(車行道)+0.5 m(護欄)+0.25 m(檢修道)+0.5 m(主桁弦桿)＝9.5 m。

(2)鋼桁架結(jié)構(gòu)：Q345qD[2]；鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比為0.31。

(3)恒載：鋼筋混凝土容重：γ=26 kN/m3；瀝青砼容重：γ=24 kN/m3；鋼材容重：γ=78.5 kN/m3。

(4)活載：公路-I 級，汽車荷載按2 車道計算，考慮偏載效應(yīng)； 沖擊系數(shù)根據(jù) 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[3]，由程序自動計入。

(5)溫度作用：總體升降溫按30℃取值。

(6)風(fēng)荷載：橫橋向100 年一遇基本風(fēng)速25.6 m/s[4]。

2.2 施工階段劃分

(1)桁架支架焊接拼裝；

(2)施工其余縱橫向連接，鋪橋面板；

(3)施工二期；

(4)橋面系等附屬設(shè)施施工，全橋竣工。

2.3 荷載組合

荷載組合：基本組合(恒載+活載+溫度荷載+風(fēng)荷載)。

2.4 結(jié)構(gòu)模型

主橋采用計算跨徑80 m 鋼桁架。 計算采用Midas Civil 建立空間有限元模型， 全橋共劃分為1423 個單元，583 個節(jié)點，桿件采用梁單元進行模擬，橋面板采用板單元進行模擬，節(jié)點都用剛接來模擬計算[5]。 全橋計算模型如圖2 所示。

圖2 計算模型

2.5 主梁計算結(jié)果

(1)上弦桿

基本組合作用上弦桿最大壓應(yīng)力-153.7 MPa(圖3)。上弦桿最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力270/1.1=245 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖3 上弦桿組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

(2)下弦桿

基本組合作用下弦桿最大拉應(yīng)力為138.7 MPa (圖4)。下弦桿最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力270/1.1=245 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖4 下弦桿組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖5 斜腹桿組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖6 橫聯(lián)組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

(3)斜腹桿

基本組合作用斜腹桿最大拉應(yīng)力為169 MPa，最大壓應(yīng)力為-167.7 MPa(圖5)。斜腹桿最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力270/1.1=245 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4)橫聯(lián)

基本組合作用橫聯(lián)最大拉應(yīng)力為19.8 MPa, 最大壓應(yīng)力為-26.2 MPa(圖6)。橫聯(lián)最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力275/1.1=250 MPa，滿足規(guī)范要求。

(5)上平聯(lián)

基本組合作用上平聯(lián)最大拉應(yīng)力為77.5 MPa， 最大壓應(yīng)力為-66.5 MPa(圖7)。上平聯(lián)最大應(yīng)力小Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力275/1.1=250 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7 上平聯(lián)組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

(6)主桁桿件整體穩(wěn)定驗算

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[6]對應(yīng)力水平較高的主桁各桿件進行整體穩(wěn)定驗算，見表1。 由表可見，桿件整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

(7)橫梁

全橋共設(shè)置23 道橫梁。 現(xiàn)取HL2 與HL3 橫梁進行驗算。

采用橋梁博士程序進行計算，橫梁共劃分為20 個單元，21 個節(jié)點，結(jié)構(gòu)離散圖如圖8 所示。

表1 主桁桿件整體穩(wěn)定驗算

圖8 橫梁結(jié)構(gòu)離散圖

HL2 基本組合作用橫梁最大拉應(yīng)力-122.8 MPa，位于支點上緣(圖9)。 最大壓應(yīng)力112.2 MPa，位于支點下緣(圖10)。橫梁最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力270/1.1=245 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖9 上緣-橫梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖10 下緣-橫梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

HL3 基本組合作用橫梁最大拉應(yīng)力-126.0 MPa，位于支點上緣(圖11)。 最大壓應(yīng)力100.1 MPa，位于支點下緣(圖12)。橫梁最大應(yīng)力小于Q345qD 考慮板厚折減容許應(yīng)力270/1.1=245 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖11 上緣-橫梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖12 下緣-橫梁應(yīng)力圖(單位：MPa)

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[6]對應(yīng)力水平較高的主桁各桿件進行整體穩(wěn)定驗算， 桿件整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

2.6 穩(wěn)定驗算

面外穩(wěn)定系數(shù)達到4.0 以上， 可以認為穩(wěn)定性滿足要求。

對上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算見圖13～15。 在恒載、 制動力、橫風(fēng)荷載、最不利活載作用下，一階臨界荷載系數(shù)為20.8(圖13)，二階臨界荷載系數(shù)為21.2(圖14)，三階臨界荷載系數(shù)為25.4(圖15)，上部結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求。

圖13 第一階失穩(wěn)模態(tài)(K=20.8)

圖14 第二階失穩(wěn)模態(tài)(K=21.2)

圖15 第三階失穩(wěn)模態(tài)(K=25.4)

2.7 疲勞驗算

根據(jù)公路規(guī)范抗疲勞設(shè)計進行結(jié)構(gòu)疲勞驗算。 疲勞荷載計算模型采用計算模型II 雙車模型進行計算。 計算結(jié)構(gòu)如圖16～17 所示： 根據(jù)公路規(guī)范附錄C 疲勞細節(jié)查詢得到下弦桿疲勞細節(jié)類別為80, 損傷等效系數(shù)計算得1.5。 下弦桿最大正應(yīng)力幅為25.7×1.5=38.5 MPa，小于允許值80/1.35=59.3 MPa (圖16)。 下弦桿最大剪應(yīng)力幅為2.3×1.5=3.5 MPa，小于規(guī)范允許值80/1.35=59.3 MPa(圖17)。 下弦桿疲勞滿足規(guī)范要求。

圖16 下弦桿正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖17 下弦桿剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

根據(jù)公路規(guī)范附錄C 疲勞細節(jié)查詢得到上弦桿疲勞細節(jié)類別為80。 上弦桿最大正應(yīng)力幅為13.5×1.5=20.2 MPa，小于允許值80/1.35=59.3 MPa(圖18)。 上弦桿不承受剪力，剪應(yīng)力幅不需要驗算。 上弦桿疲勞滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范附錄C 疲勞細節(jié)得斜腹桿疲勞細節(jié)類別為80。斜腹桿最大正應(yīng)力幅為26.6×1.5=40.0 MPa，小于規(guī)范允許值80/1.35=59.3 MPa (圖19)。 斜腹桿最大剪力幅為0.73×1.5=1.0 MPa，小于規(guī)范允許值80/1.35=59.3 MPa(圖20)。 斜腹桿疲勞滿足規(guī)范要求。

圖18 上弦桿正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖19 斜腹桿正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖20 斜腹桿剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

2.8 剛度驗算

主桁在恒、活載作用下的撓度見圖21～22。

圖21 恒載作用下主桁撓度(單位：MPa)

圖22 活載作用下主桁撓度(單位：mm)

桁架活載的最大撓度為25.5 mm，小于規(guī)范要求的：L/500[6]=80000/500=160 mm 桁架剛度滿足要求。

按照規(guī)范，跨中恒載加活載撓度為：47.5+25.5=73 mm，與跨度之比為1/1096＞1/1600，需要設(shè)置預(yù)拱度，跨中預(yù)拱度大小為47.5+25.5/2=60.3 mm。

3 結(jié)論

(1)主橋采用80 m(計算跨徑)下承式簡支鋼桁梁一跨跨越通航河流，在滿足施工、營運期通航要求的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮了下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)自重輕、跨越能力強、建筑高度小、施工速度快的特點，體現(xiàn)了下承式鋼桁梁在公路危橋改造項目中的優(yōu)勢。

(2)主橋各桿件強度、穩(wěn)定、剛度、疲勞驗算均能滿足規(guī)范要求。

(3)希望本文鋼桁架橋設(shè)計計算分析能為同類型橋梁的設(shè)計建設(shè)提供一些寶貴的參考借鑒經(jīng)驗。