钢桁架栈桥设计方法探析

田 勇

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司 陕西西安 710054)

0 引言

随着经济发展，越来越多管线跨越公路、铁路、河流，跨度也越来越大，混凝土跨越结构已不能满足建设要求。钢桁架栈桥由于自重轻、造价合理、施工速度快等优点，得到了比较广泛的应用。

本文以某跨越铁路线的输电线路栈桥的设计过程为例，结合建筑结构、电力、煤炭、公路等相关规范提出的设计方法，对钢结构栈桥设计过程中，在采用平面桁架力学模型的情况下，进行分析，针对钢桁架栈桥的结构特点，提出设计思路和相关构造措施，以便于最终确保结构安全和经济合理。

1 概况

某电力公司输电线路需横跨某铁路线，采取栈桥形式跨越此铁路线。此栈桥跨度达到45 m，采用钢桁架栈桥结构形式。栈桥上面设置彩钢板屋面，下面铺走道板，两侧设置彩钢板封闭如图1所示。

图1 栈桥示意图

1.1 栈桥形式的确定

该工程跨度为45 m，采用钢桁架结构，这种形式安全可靠，经济合理。

1.2 结构形式

此类钢桁架栈桥，是由两侧竖向主桁架和上下两个水平桁架组成的空间结构。竖向桁架是栈桥的主要承重结构，水平桁架使竖向桁架形成空间稳定的受力结构。为了增加栈桥的抗扭刚度，提高横断面的稳定性，确保两片主桁架共同受力，桁架跨中还要设置横向垂直支撑，如图2所示。

图2 钢桁架栈桥组成

1.3 桁架截面形式

钢桁架截面形式最常用的是双角钢拼接桁架。当荷载较大时，可采用剖分T型钢或H型钢，代替双角钢作为桁架的上下弦。该工程采双角钢拼接桁架。

另一种是钢管桁架，近些年有很多应用的实例。方钢管做的桁架不多见，原因是方管和矩形管多为冷弯成型的高频焊接钢管，此类管材通常存在残余应力和冷作硬化现象，低温地区的外露结构不能采用。

2 栈桥高度和宽度的确定

主桁架高度，可根据荷载情况，取其跨度的1/10～1/14。水平宽度与栈桥的横向刚度和稳定有关，可比竖向高度略小，但不宜小于跨度的1/17～1/20。该工程高度取3.75 m，为跨度的1/12；宽度取3.2 m，约为跨度的1/14；满足工艺要求的净宽和净高。

3 桁架结构布置

3.1 主桁架腹杆布置

由于拉杆和压杆的长细比限值不同，为了合理利用杆件的受力特性，腹杆采用端斜杆受压的单斜式布置方式。这样除了端斜杆受压，其余斜杆均收拉，较短的竖杆均受压。端斜杆受到压力较大，设计时应保证其安全，加强其构造措施。

3.2 节间数的确定

一般考虑节间取偶数个，并结合斜腹杆与弦杆的夹角综合考虑。斜腹杆与弦杆的夹角一般应在35°～55°之间,最佳为45°。本工程取12个节间，节间长度为3.75 m。

节间数如果是奇数个，正中间的斜腹杆则应布置成交叉型。

3.3 水平支撑结构布置

栈桥的上下弦纵向水平支撑一般应沿栈桥通长设置，如图2所示。

4 结构分析

4.1 计算方法

钢桁架栈桥的简化计算方法，是将空间桁架分解成若干个平面，按主桁架、上下水平支撑等分别按铰接桁架进行计算。

4.2 计算模型假定

根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)[1](以下简称《钢标》)规定：计算桁架杆件轴力时可采用节点铰接假定；采用节点板连接的桁架腹杆及荷载作用于节点的弦杆，其杆件截面为单角钢、双角钢或T形钢时，可不考虑节点刚性引起的弯矩效应。本工程满足此假定，按弦杆和腹杆均为铰接的桁架计算。

上下水平支撑为有交叉斜腹杆的桁架，通常将斜腹杆视为柔性系杆，按拉杆设计；与交叉斜杆连接的竖杆按压杆设计，如图3所示。

图3 计算简图

5 荷载计算

5.1 竖向荷载

荷载传递路线：

屋面板→屋面横梁(上弦水平支撑直腹杆)→桁架上弦节点→支座；

走道板→走道横梁(下弦水平支撑直腹杆)→桁架下弦节点→支座。

主桁架上下弦节点集中荷载:P=0.5qdB(kN)。

式中:q——屋面或走道荷载(kN/m2)；

d——桁架节间距离(m)；

B——桁架宽度(m)。

5.2 水平荷载

荷载传递路线：外墙板→上下水平支撑→上下弦杆→端门架→支座。

一般认为，上、下水平支撑各承担一半水平荷载。

5.3 雪荷载和风荷载取值

钢桁架结构自重较轻，属于对雪荷载和风荷载敏感的结构。基本雪压根据《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)[2](以下简称《荷载规范》),对雪荷载敏感的结构，应采用100年重现期的雪压。

基本风压《荷载规范》指出：“对风荷载比较敏感的的结构，基本风压的取值应适当提高”，本文建议取100年重现期的风压。

风荷载标准值:wk=βzμsμzw0(kN/m2)

式中：w0——基本风压；(kN/m2)；

μz——风压高度变化系数；

μs——风荷载体型系数。《荷载规范》中没有此类栈桥的体型系数，可以参考《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL5022-2012)[3]，其中给出了封闭式运煤栈桥的体型系数，迎风面+1.0，背风面-0.7。

βz——高度z处的风振系数，《荷载规范》第8.4.2条规定对于风敏感的结构应考虑风振的影响,可取1.3[2]。

屋面支撑或走道支撑作用于节点的风荷载：

W=0.5dHwk(kN)

式中：H——桁架高度(m)；

d——桁架节间距离(m)。

6 桁架设计

6.1 截面验算

目前计算桁架常用PKPM的STS软件，荷载导算完成后，根据选取的截面进行验算，最终确定最优的杆件截面。

要注意的是，栈桥主桁架和水平支撑分别按平面桁架计算，但是主桁架上下弦杆其实同时承担竖向和水平荷载。在设计主桁架时，对上下弦杆件计算时应将它在两个平面桁架的内力叠加。

6.2 变形验算

结构变形的容许值宜符合《钢标》附录B的规定，永久和可变荷载标准值产生的挠度(如有起拱应减去拱度)容许值可取L/400，可变荷载标准值产生的挠度的容许值可取L/500。

为了改善外观和符合使用条件，大跨度结构要预先起拱。起拱度可以取恒载标准值加0.5活载标准值所产生的挠度值；或直接取为L/500。

6.3 栈桥的抗震设计讨论

对于跨度大于24 m的栈桥和8度、9度地区，宜进行抗震验算。

此类栈桥的抗震设计可参考《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)[5]运输机通廊及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[6]大跨度屋盖桁架相关规定进行。水平地震作用一般不用验算，竖向地震作用需要抗震验算。根据上述规范采取相关的抗震措施，控制其挠度、关键杆件内力设计值、支座设计值、杆件长细比等。

7 支座处门型刚架设计

桁架端竖杆应与端部刚性横梁组成门型刚架(简称端门架)，屋面水平支撑将它承受的风荷载由两端的端门架传至下弦支座如图4所示。

图4 端门架

作用在每个端门架上端节点的力为:

HW=0.5×0.5HLwk(kN)

端门架的计算简图是刚架，其竖杆下端可取铰接。端门架的计算简图如图3所示。

8 横向垂直支撑

横向垂直支撑设在主桁架竖杆平面内，作用是增加栈桥的抗扭刚度，保证结构的整体作用。横向垂直支撑其数量根据跨度大小确定，间距不宜超过12 m，且每跨不宜少于两道。横向垂直支撑犹如上下纵向水平支撑间的一些弹性支承，上下纵向水平支撑承受的横向荷载，绝大部分是通过端门架传给支座的，仅有一小部分通过中间横向支撑传至走道水平支撑。因此，横向垂直支撑一般不用计算，仅在屋面支撑直腹杆和桁架竖腹杆间设置隅撑或钢板即可，如图5所示。

图5 横向垂直支撑

9 支座设计

9.1 温度变化计算

结构的合拢温度，可定为10℃～25℃，可保证在一年中的大部分时间均可合拢，具备施工可行性。

金属结构对气温变化较敏感，宜考虑极端气温的影响[2]。室外结构温度可取历年极端最高(最低)温度，该工程所在地极端最高温度38.6℃，极端最低温度-32.7℃；该工程为暴露于室外的结构，考虑表面吸热性质考虑太阳辐射的影响，最高温度考虑温度增加11℃[2]。

结构最高温度：38.6+11=49.6(℃);

结构最低温度：-32.7(℃);

结构最大升温：ΔTk=49.6-10=39.6(℃);

结构最大降温：ΔTk=-32.7-25=-57.7(℃)。

9.2 钢桁架纵向伸缩量计算

伸长量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×39.6=21(mm)；

缩短量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×57.7=31(mm)；

式中：Δl——构件的伸缩量(mm)；

L——构件的长度(mm)；

Δt——温度变化度数(℃)；

αT——钢的线膨胀系数=12×10-6/℃。

本栈桥纵向伸缩总量为：21+31=52(mm)

9.3 支座设计

根据支座承担的竖向力、水平力，栈桥伸缩量选用支座，支座可采用板式橡胶支座或球型支座。

板式橡胶支座构造简单、安装方便，其能承受的水平力很有限，应设置限位件承担桁架水平风荷载；支座底版与基础面摩擦力小于支座底部的水平力时应设置抗剪键，不宜利用锚栓传递剪力，如图6所示。

图6 橡胶支座示意图

该工程支座反力303 kN,最大的伸缩量较大值31 mm，选用《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T 4-2019)[7]中的GBJ200×200×47(NR)型支座(公路桥梁普通矩形橡胶支座，耐寒型，采用天然橡胶，支座平面尺寸为200 mm×200 mm，总厚度47mm)。

球型支座经久耐用，还有相应的抗震、减震支座，亦能承受水平力，一般能承担竖向力的30%，但施工安装较为复杂。若支座承担的水平力大于竖向力的30%，亦需要设置限位件承担其余水平力。球型支座可选用《公路桥梁球型支座规格系列》(JT/T 854-2013)[8]相应规格系列。

该工程由结构自重引起的4个支座总反力为RGk=352 kN；

风荷载引起的支座剪力设计值：V风=329 kN；

V风=329kN>0.4RGk=0.3×352=141 kN;

故，对于水平力(主要为风荷载引起的)较大的钢桁架，球型支座亦需要设置限位件承担其余水平剪力。

10 结语

本文分析探讨了钢桁架栈桥的结构组成、受力特点、桁架尺寸的确定、计算方法、荷载取值、结构验算、桁架挠度、横向刚度、支座设计等，提供了设计此类结构的思路和方法，供广大设计人员参考。