大跨度钢桁架桥梁的结构设计

大跨度钢桁架桥梁的结构设计
摘要钢桁架桥梁的使用主要在一些公路桥梁中，在城市规划建设中使用较少。

但是近些年来随着城市道路的快速发展和铁道事业不断推进，大跨度的钢桁架梁桥也得到了很大的发展。

鉴于大跨度钢桁架桥梁在使用中施工方便和能够承载较大的交通量的优势，给城市中桥梁建设提供了更多的选择。

在本文中，详细的介绍了大跨度钢桁架桥梁的结构设计特点，包含有桥梁结构的构造要求，通过使用有限元软件的分析方式，对于大跨度钢桁架梁桥的设计要点和结构承载进行讨论。

关键词大跨度钢桥；大钢桁架桥梁；结构设计；桥梁设计
在城市的发展过程中，对于交通的需求不断提升。

在遇到自然阻碍的情况下需要不断提高工程的智慧来完成实际的需要。

面对江河的阻隔，架设桥梁方面就需要改变以往的设计思路。

这样的情况下，大跨度钢桁架桥梁就应运而生。

下面我们对大跨度钢桁架桥梁的结构进行设计。

1 工程结构概况
某桥梁的整体结构选用下承式大跨度钢桁架桥梁，在桥梁的上部结构中包括有桥面结构、主桁架、桥梁连接体和桥梁支座等五个主要部分。

大跨度钢桁架桥梁桥面铺装结构使用厚度为30cm的钢筋混凝土连续板，并在钢筋混凝土上面铺设有3cm～6cm的防水层和6cm的沥青混凝土层。

整体的桥面板上采用16个现浇钢横梁。

桥梁的上部结构中所选用的混凝土强度为C45，承受荷载的钢筋为HRB450，构造筋为HRB400。

大跨度钢桁架桥梁的桥面结构由钢横梁和纵梁组成。

相比于一般跨径的传力结构相似，大跨度钢桁架桥梁通过桥面将荷载向下传递（纵梁--横梁），通过传力节点最终分布在钢桁架杆件中。

在桥面的钢桁架的横梁中有16道，断面采用工字型的焊接钢，尺寸为2□800×60，1□850×50（单位mm）。

因考虑到桥梁的结构为大跨度，承受的荷载较大，所以结构设计时采用混凝土和钢架共同受力的模式，同时在钢架顶端设置有螺栓剪力键，更好的使混凝土和钢架共同受力。

桥梁的连接体的作用是使得横梁和纵梁能够在风荷载的作用下保持稳定性，并且能在地震的作用下有一定的抗倾覆能力。

因此在结构中使用上弦支撑和水平支撑。

支撑选用H型钢。

钢材选用300×300。

在大跨度钢桁架桥梁中，主桁架是最为重要的承力结构。

考虑到大跨径梁桥的长度普遍较长，所使用的腹杆强度较大，不能使用钢筋混凝土结构，在本设计中，选用高强度的连接系杆。

连接系杆一般不采用工资型钢，而使用高强螺栓连接，并用焊接工字型截面焊接在一起，以此来达到设计的强度，也便于工程的施工。

2 大跨度钢桁架桥梁有限元分析
在大跨度钢桁架桥梁结构设计过程中，由于跨度较大，受力杆件较多，在计算过程中较为复杂。

选用有限元软件对钢桁架受力结构进行分析。

在建立有限元模型的过程中，从平面结构和立体结构两个方面进行，在结合两种的模型建立方式的不同，得出最为贴合工程实例的大跨度钢桁架桥梁模型。

并将平面模型导入结构程序中进行计算。

得到两跨对称的横向布置参数，并在人行道中设置有防撞墩台。

在跨中处的桁架的横向影响线的计算中考虑有最不利荷载分布，进一步对跨中处的桁架受力进行分析。

在空间模型的分析过程中，将上弦和下弦结构分离开来进行分析，考虑到了腹杆和斜腹杆的受力结构，对于有限元中的每个单元体进行分析得到横向和纵向量的单元信息，并。

在考虑到上部结构荷载（桥面荷载、桥面铺装、人行道、防撞墩台永久荷载、可变荷载）的分布情况，根据折减系数的计算之后，转换到各个单元当中。

由设计的结果可以看出，平面结构和空间结构所得出的桁架受力结构模型的计算结构相似，计算结果正确。

而且在使用有限元设计软件中得出的大跨度钢桁架桥梁结构分析数据，都会比杆件的容许应力小。

在软件分析中，还进行钢桁架各个杆件的连接承载能力和连接使用疲劳性实验，都能通过《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ025-86中所制定的要求，保证各杆件的设计强度的情况下疲劳强度都要小于设计容许应力。

最为桥梁的称重部件，横梁在设计的过程中简化为钢和混凝土的结合体进行考虑，在一期荷载当中主要由钢桁架进行承担所有的外部荷载，在二期恒载和活载计算中，荷载由桥梁的纵向梁和混凝土上部面板共同承担。

当荷载的分布情况使用有限元软件分析出来之后，需要对于每个桥梁的应力阶段进行验算，其中包括有应力的验算、挠度的验算、抗压验算、抗拉验算，抗弯验算和系统整体稳定性的验算。

在满足了这些承载力的设计要求才能进行下一步的设计工作。

此外，还要特别强调的是，不同于一般的钢桁架梁桥，在大跨度钢桁架梁桥的设计当中还要对于高强螺栓的铆钉剪力键进行容许力验算，在通过弹性模量和塑性指标的分析之后，计算出合适的铆钉承载能力，从而计算出使用铆钉的数量。

3 大跨度钢桁架桥梁的模态分析
模态分析是动力学分析中很重要的基础分析，是谐响应分析，瞬态分析及反应谱分析等其他动力学分析的起点。

模态分析一般用来确定结构的振动特性，来计算结构的固有频率和主振型。

这些参数即是结构承受动力荷载作用下的重要参数，同时也是结构其他各类型动力学分析的基础，而在模态分析中，低阶振型对结构起控制作用，文中采用大型通用有限元软件ANSYS，采用子空间迭代法进行桥梁模态分析。

刚桁架桥的第一阶振型以竖向对称弯曲为主，自振频率为0.94053Hz，自振周期为1.0632s。

自振周期长，固有频率低，此振型在刚桁架桥的地震响应中占了很大的比例；刚桁架桥的反对称竖弯出现的比较早，自振频率为 1.3191Hz，自振周期为0.7581s。

此阶振型对钢桁架桥的竖向地震反应影响很大；该桥较早出现的振型是以竖桥向为主，说明该刚桁架桥对竖向地震动作用较为敏感。

4 大跨度钢桁架桥梁结构设计方法
1）现有的很多大型建筑物所采用的结构为大跨径式，跨径不断的增加就要考虑在结构物的自重方面进行改良，传统的钢筋混凝土材料已经不能满足现在的建筑要求。

这就需要在大跨径桥梁结构中使用钢桁架。

这就可以降低结构物的自重，提高大跨径桥梁的结构刚度，对于抗震方面的性能也有很大的提升。

在设计规范中，将钢桁架支撑结构的抗震等级由普通的三级提高到抗震二级，对于一些重要的建筑物或是地震多发区桥梁结构需要将整体结构的刚度提高到抗震一级；2）在对于大跨径桥梁的结构分析中，对于受力结构使用力学模型进行分析，在建立力学模型中常使用2D和3D进行模拟，使用的分析软件有SATWE，PMSAP 及ETABS。

根据这些软件的模型建立及模拟，最终得到桥梁结构中杆件的受力分配情况，并根据杆件之间的位移来对内力进行分析研究，以达到对桥梁结构的整体分析，并结合钢桁架桥梁和周边的环境特点，设计出最为合理的桥梁模型；
3）尤为注意的是，在桥梁结构分析中，使用PMSAP 相关的分析系统，对于主跨部分的模拟分析，包括对主跨的结构抗震分析和风荷载情况下的受力分析，考虑到受力平面不均匀分布、楼板处不连续等不利因素，整合考虑桥梁在不利荷载下的工作情况，在结合这些分析数据之后，在一些结构承载薄弱的位置增设结构加强系杆或是其他组合结构，来保证在地震作用和风荷载的作用下能保证桥梁整体的稳定；
4）整体结构内力配筋计算均采用弹性楼板模式进行分析，充分考虑大跨度跃桥面板、桥梁箱室等腹板震动对周边结构构件产生的不利影响；同时对于腹板不连续的楼层，通过加大相应腹板厚度、提高腹板配筋率、采取双层双向配筋等加强措施，以确保水平荷载的有效传递。

5 结论
在桥梁建设当中，考虑到跨度和施工的方式等因素，选用不同的桥型进行施工。

对于本文中提到的大跨径钢桁架桥梁的使用也越来越多。

在本文中，详细的介绍了该桥型的优势，并提出了使用该桥型的技术特点。

使用有限元的分析软件对于桥梁的整体结构进行分析，最终得出各个单元体的承载信息，在模态分析的角度下保证钢桁架梁桥的稳定性，为大跨度钢桁架梁桥的建设做好结构设计工作。

不容忽视的是，在桥梁的结构设计中还要添加有桥梁后期的检测任务，将检测也纳入桥梁的整体结构设计当中，以形成桥梁设计、施工、使用和检测为一体的模式。

参考文献
[1]占智贵.基于ANSYS对大型刚桁架桥的模态分析[S].低温建筑技术，2011，10（11）：123-124.
[2]姜丽梅，江阿兰.基于ANSYS对钢桁架梁桥的静动力分析[S]. 低温建筑技术，2012，13（22）：230-233.
[3]王伟.铁路钢桁梁桥的详细有限元分析研究[D].成都：西南交通大学，2004，12（15）：119-121.
[4]李军.斜拉桥ANSYS结构动力特性分析[S].甘肃科技，2011，4（15）：189-190.。