红旗桥结构设计分析

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摘要:钢桁架桥具有造型大气、跨越能力强、承载能力大、施工速度快等特点，很适合于城市中对景观有要求，同时周边限制条件多，要求施工速度快的情况，因此在城市桥梁中有广阔的应用前景。本文主要介绍了睢宁红旗桥主桥钢桁架的结构特点并采用空间有限元对全桥进行了结构分析，结果表明各项指标均能满足规范要求，可供其他类似桥梁参考。

关键词:钢桁架桥;总体布置;结构设计;结构分析

钢桁架桥自诞生以来，以其出色的跨越能力，较小的梁高，较大的承载能力，成为许多受条件限制时大跨径桥梁的重要选择。近年来，随着经济的发展，在城市中，桥梁不仅仅起到交通作用，越来越多的重视桥梁的景观性。而钢桁架桥不仅跨越能力大，使用寿命长，景观效果好，同时施工采用预制拼装，施工时间短，对交通影响小，因此在城市桥梁建设中有广阔的应用前景。本文主要介绍睢宁县红旗桥主桥钢桁架的主要结构特点与受力分析，可为其他类似桥梁的建设提供参考。

1工程概况

睢宁交通总体规划中，道路系统采取环路加网格的形式，由“一环、四横、六纵”构成城市主干道系统，本次改造的红旗桥所在的天虹大道为其中的“一纵”。天虹大道北起宁宿徐高速公路入口，南至睢宁南环，是睢宁南北向主要通道。全线除青年路至南环段以外，均为双向6车道，青年路至南环段的天虹大道路面宽9m，跨越徐沙河的红旗桥是修建年代较早的老式拱桥，桥面净宽仅7.2m，跨径不满足徐沙河的通航要求，年久失修，现已限行。随着睢宁县城的发展扩张，根据规划，沿天虹大道两侧将建成居住区，宽路窄桥的存在将严重制约徐沙河两岸居民区的出行。同时徐沙河为规划Ⅴ级航道，其通航净空为:55×5m，老桥已不满足航道通航要求。因此对天虹大道进行改造，对老红旗桥进行拆除重建。本次红旗桥改造涉及道路长约0.37km。天虹大道为城市主干道，青年路以北天虹大道路基设计宽度为41.5m，机动车道宽22.5m，侧分带宽2×3.5m，非机动车道宽2×3.0m，人行道宽2×3.0m。新建红旗桥主桥采用下承式钢桥架桥，引桥采用20m预应力混凝土空心板，桥梁跨径布置为20+66.2+20m，桥梁全长106.4m。

2主桥结构设计要点

红旗桥主桥分为三幅，中间一幅为机动车道桥，旁边两幅为非机动车道桥;结构型式均为计算跨径65m的钢桁架梁，主桥位于竖曲线内，纵坡2.8%，竖曲线半径R=2000m。本文仅对机动车道一幅进行介绍。2.1主桥上部结构。主桁采用带竖杆的华伦式三角形腹杆体系，节间长度6.5m，主桁上弦采用折线形，主桁高度10.5～13.1m，矢跨比约为1/6.2～1/5;机动车道桥两片主桁中心距为24.75m，桥面宽23.5m;非机动车道桥两片主桁中心距为7.75m，桥面宽6.5m。主桁上、下弦杆采用箱形截面，截面宽度500mm，高720mm，最大板厚50mm，工厂焊接，工地通过高强螺栓在节点处拼接。端斜杆采用箱形截面，其余斜腹杆采用H型截面，截面宽度500mm，高度420～720mm，最大板厚40mm。桥面系为叠合梁，由下部的钢梁和上面的桥面板叠合而成，钢梁部分采用纵、横梁体系。横梁变高度形成桥面横坡，横梁为工字型截面，与主桁在节点处通过高强螺栓连接;纵梁高500mm，为工字型截面，与横梁腹板连接。桥面板采用钢筋混凝土结构，板厚17cm，与纵、横梁连接处带肋，板厚增至25～30cm，为保证钢梁与桥面板共同作用，在钢梁上设置了剪力键，桥面板通过剪力钉与钢纵、横梁连接。机动车道桥上、下平纵联与主桁弦杆在节点处通过高强螺栓拼接。在桁梁两端斜杆所在斜平面设置桥门架，上弦部分节点设置横联，每幅桥设置3道横联。主桁及横梁钢板材质采用Q370qD，其余钢板及型钢材质均采用Q345qD。2.2主桥下部结构。主桥桥墩盖梁采用矩形截面，截面尺寸2.0×2.5m，单幅桥墩盖梁下设三个墩柱，均采用矩形断面，边墩柱截面尺寸1.8×1.8m，中墩柱截面尺寸1.8×2.5m。下设哑铃形承台，承台高2.5m，边承台下设2根1.5m直径钻孔灌注桩，中承台下设4根1.5m直径钻孔灌注桩。

3技术标准

(1)道路等级:城市主干道。(2)设计荷载等级:公路－Ⅰ级，人群荷载3.0kN/m2。(3)设计行车速度:50km/h。(4)桥面宽度:0.5m(主桁弦杆)+0.375m(检修宽度及管线)+3m(人行道)+3.5m(侧分带)+11.0m(机动车道)+0.5m(双黄线)+11.0m(机动车道)+3.5m(侧分带)+3m(非机动车道)+3m(人行道)+0.375m(检修宽度及管线)+0.5m(主桁弦杆)=43.25m。(5)通航净空:55×5m，徐沙河为规划Ⅴ级航道，通航净空为矩形断面，最高通航水位19.36m(国家85高程系统)。(6)地震烈度:地震动峰值加速度为0.2g。

4主桥结构分析

桥梁结构分析采用midascivil进行对全桥进行空间有限元分析，全桥三维模型如图4。由于桁架单元不传递弯矩和剪力，只传递轴向力，因此在模型中，所有杆件均采用梁单元进行模拟，其中横梁部分对桥面板有效宽度内与钢横梁采用钢混叠合梁进行模拟，其他桥面板部分及桥面铺装、护栏等均转化为均布荷载加载在相关单元上。由于主桁采用高强螺栓群连接，节点板较厚，节点的刚度大，能够传递弯矩，且主桁杆件截面高度与其节点中心间距之比大于1/15，因此主桁杆件节点均按刚接考虑。中横梁及端横梁与主桁连接中，由于只连接了腹板，因此对横梁采用释放梁端约束，释放My、Mz方向的自由度。小纵梁及平联杆件由于长细比较大，采用刚接或铰接差别不大，为方便建模，可采用刚接。4.1桥梁强度验算。钢结构构件应按承载能力极限状态验算强度及稳定性，其计算结果见图足规范要求。4.2桥梁疲劳验算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64－2015)，承受汽车荷载的结构构件与连接，应按疲劳细节类别进行疲劳验算。由于桥梁横梁直接承受汽车荷载，因此对横梁构件与连接疲劳应力进行了疲劳验算，疲劳荷载采用计算模型I，采用等效的车道荷载，其中集中荷载为0.7kPa，均布荷载为0.3kPa，并按多车道进行折减。经计算，横梁及连接最大正应力幅、剪应力幅分别为58.8MPa、8.3MPa，均满足规范要求。4.3桥梁预拱度。在使用状态下，在不计冲击力的汽车车道荷载频遇值作用下，计算竖向挠度为11.5mm，小于L/500=130mm，横梁计算竖向挠度为25.7m，小于l/500=49.5mm，均满足规范要求。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTGD64－2015)按自重+1/2活载产生的竖向挠度作为预拱度，本桥主桁预拱度采用49.4mm，横梁预拱度采用41.7mm。4.4结构整体稳定计算。由于桥梁较宽，因此结构整体稳定性不是主要控制因素。经计算，结构一阶失稳是上弦杆平面外失稳，临界荷载特征值系数为25，表明主桥整体刚度较大，不存在整体失稳的问题，满足规范要求。

5主要施工方法

桥梁采用工厂预制，现场拼装的施工工艺，其主要步骤如下:(1)利用主桥桥墩承台及河道中设置的临时墩搭设支架。(2)工厂预制构件并进行现场拼装桥梁主桁、桥门架、横联、上平纵联、横梁、下平纵联。(3)拆除临时墩及支架，完成体系转换。(4)吊装预制桥面板并浇筑现浇段，主桥桥面形成整体。(5)完成桥面附属工程、照明亮化等并成桥。6结语(1)桥梁主桁各节段间杆件受力大小差异较大，设计中可根据强度、稳定性要求可对各杆件钢板厚度、尺寸等进行适当的调整，以节约材料，避免不必要的浪费。(2)通过计算分析，桥梁结构能够很好的满足各项指标要求，另外，由于本桥主桥桥梁较宽，桥梁横梁在使用过程中竖向挠度较大，因此在施工中除考虑主桁设置预拱度外，应对横梁也进行预拱度设置。目前，睢宁红旗桥已经建设完成并正式通车，成为睢宁城区桥梁建设的一个新亮点。改造后的红旗桥与整条天虹大道有机地融合，让南北通行更通畅，不仅成为徐沙河畔一处新的风景，也将为徐沙河两岸发展带来新的机遇。

作者:徐锦 单位:徐州市交通规划设计研究院

参考文献:

［1］黄侨，李莹，杨大伟，等．下承式城市钢桁架桥上部结构设计与分析．城市道桥与防洪，2006(6)．

［2］张振．城市钢桁架桥结构设计要点探析．广东科技，2007(10)．

［3］聂建国．钢－混凝土组合结构:原理与实例．北京:科学出版社，2009．

［4］吴冲．现代钢桥．北京:人民交通出版社，2006．