钢桁架梁桥支座约束体系设计关键问题研究

Key Point Research on Design of Support Constraint System for Steel Truss Girder Bridge

摘要

钢桁架梁桥支座的约束体系不同于传统梁桥结构，其设计方案的选择影响桥梁下部结构尺寸和支座选型。结合工程实例分析了简支结构、连续结构、两榀桁架、三榀桁架等因素对钢桁架梁桥支座约束体系设计的影响，提出了提高支座设计水平承载力、释放三榀桁架中桁纵向滑移约束等设计应对措施，可为同类桥梁提供参考。

Abstract

The constraint system of steel truss girder bridge support is different from that of traditional girder bridge structure， and the selection of its design scheme affects the size of the bridge substructure and the selection of supports. Combined with engineering examples， the influence of simply supported structure， continuous structure， two trusses， three trusses and other factors on the design of the support restraint system of steel truss girder bridges is analyzed， and the design countermeasures such as improving the horizontal bearing capacity of the support design and releasing the longitudinal slip restraint of the truss in the three trusses are proposed， which can provide reference for similar bridges.

Graphical abstract

关键词

钢桁架梁桥 / 支座约束体系 / 简支结构 / 连续结构

Key words

steel truss girder bridge / support constraint system / simple supported structure / continuous structure

0 引 言

近年来，随着我国交通强国战略的推进，公路里程持续增长，钢结构桥梁逐渐成为跨越山川沟谷和江河湖泊的首选方案^［1-3］。作为钢结构桥梁的重要代表，钢桁架梁桥在经历了材料和施工工艺的革新后，焕发了新的生命力，重新成为现代桥梁建设中的重要选择。

钢桁架梁桥具有自重轻、建筑高度低、跨越能力强、施工速度快等优点^［4-6］。钢桁架梁桥所有钢构件在工厂内制造完成后转运至现场，构件间的工地连接采用焊接或高强螺栓连接，该种建造方式契合公路标准化、工厂化、智能化建造理念，具有广泛的应用前景^［7-10］。

钢桁架梁桥的工作原理是将传统的受弯梁离散成受拉和受压的弦杆^［11］，在计算时虽然弦杆及腹杆的杆件截面在弯矩作用下仍满足平截面假定^［12］，但是由上、下弦杆及腹杆组成的受弯同一断面其上、下弦杆发生不同步的轴向压缩或拉伸变形而不再符合平截面假定，由此导致按照传统约束体系进行钢桁架梁桥的支座设计不再适用。针对上述问题，目前国内尚未有相关研究，这种差异性往往在设计中亦容易被忽视，从而带来桥梁结构的安全隐患。本文通过几座典型钢桁架梁桥，对其约束体系设计关键问题展开探讨研究。

1 两榀简支钢桁架梁桥

以某110 m简支钢桁架梁桥为例，该桥横向布置两榀桁架，桁架中心间距为28.5 m，其约束体系为：在0#墩下弦节点处分别设置固定支座和纵向固定、横向滑动支座，在1#墩下弦节点处分别设置纵向滑动支座和双向滑动支座。

通过有限元分析软件Midas Civil，建立钢桁架梁桥空间梁格模型，其中主桁架及纵横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，边界条件按照实际支座设置情况进行模拟，计算时考虑汽车偏载加载的不利工况。桥型布置、支座布置及计算模型如图1所示。

表1列举了不同工况下110 m简支钢桁架梁桥0#墩的支座反力情况。由图2结果可知，在恒载即对称荷载作用下，钢桁架梁桥支座反力仅存在竖直方向反力，顺桥向及横桥向反力均为0；由于横桥向汽车偏载的作用，桥梁支座反力不仅有竖向反力，还存在顺桥向和横桥向水平反力，如图2所示，0#墩两支座存在顺桥向反力±991 kN，0#墩与1#墩同侧支座存在横桥向反力±277 kN。汽车荷载产生水平分力的原因是在偏载作用下，即仅半幅加载，左右幅下弦杆的纵向伸长值不同从而变形不同步，导致顺桥向滑移约束端产生成对的顺桥向水平反力；偏载的作用使得下弦杆同时存在一定的扭转，从而导致横桥向滑移约束端产生成对的横桥向水平反力。

一般而言，传统梁桥在汽车荷载作用下的水平反力基本可忽略不计，仅需考虑摩阻力或制动力即可，该值远小于支座竖向承载力的10%，而本示例钢桁架梁桥在汽车荷载、行车风荷载、支座摩阻力或制动力的组合作用下^［13］，支座的水平反力达到了竖向反力的10%以上，且汽车荷载和行车风荷载产生的水平反力占比达到了80%以上。因此，钢桁架梁桥在进行支座选型时需要对固定支座及单向活动支座非滑移方向的水平承载能力提高要求，以满足结构受力需要。此外，由汽车荷载和行车风荷载产生的水平反力作用到桥墩和桩基础上，还会导致下部结构尺寸增大。

2 两榀连续钢桁架梁桥

以某102 m+4×168 m+102 m连续钢桁架梁桥为例，该桥横向布置两榀桁架，桁架中心间距为27.0 m，其约束体系为：在78#墩下弦节点处分别设置固定支座和纵向固定、横向滑动支座，在其余桥墩下弦节点处分别设置纵向滑动支座和双向滑动支座。

通过有限元分析软件Midas Civil，建立钢桁架梁桥空间梁格模型，其中主桁架及纵横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，边界条件按照实际支座设置情况进行模拟，计算时考虑汽车偏载加载的不利工况。桥型布置、支座布置及计算模型如图3所示。

表2列举了不同工况下两榀连续钢桁架梁桥78#墩的支座反力情况。由计算结果可知，两榀连续钢桁架梁桥在恒载作用下，连续墩固定支座处不产生水平反力；在汽车偏载作用下，连续墩固定支座处仍然产生数值较大的水平反力。在行车横风作用下，每个桥墩约束横桥向滑移的支座（即纵向滑动支座）处均产生较大数值的横桥向水平反力，且这两项支座反力数值均大于制动力或摩阻力，在进行桥墩和桩基础设计时不容忽视。

3 三榀简支钢桁架梁桥

以某130 m简支钢桁架梁桥为例，该桥横向布置三榀桁架，桁架中心间距为2×18.5 m，其约束体系为：在7#墩下弦节点处分别设置纵向固定、横向滑动支座和横向固定、纵向滑动支座，在8#墩下弦节点处分别设置纵向滑动支座和双向滑动支座，记为方案一；作为对比，按照传统简支梁桥的约束体系布置其支座，记为方案二，区别在于7#墩中桁支点处是否约束纵向滑动。桥型布置、支座布置如图4所示。

通过有限元分析软件Midas Civil，建立钢桁架梁桥空间梁格模型，其中主桁架及纵横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，边界条件按照实际支座设置情况进行模拟，计算时考虑汽车偏载加载的不利工况，计算模型如图4所示。

表3列举了不同工况下130 m简支钢桁架梁桥7#墩的支座反力情况。由计算结果可知，按照传统梁桥布置支座的方案二与本案例的支座布置方案一相比，两个方案在恒载和汽车荷载作用下的竖向反力相差无几。在恒载作用下，方案一纵横向水平反力均为0，而方案二两边桁的纵向反力之和与中桁纵向反力大小相等，方向相反。在汽车偏载作用下，方案一边桁支座纵向反力小于方案二，方案二中桁支座亦存在较大数值的纵向反力；两个方案产生最大横向反力的工况均为汽车半幅加载，且两方案横桥向位移边界约束方式相同，故而两个方案的横向反力没有差异。

产生上述支座反力差异的原因主要为中桁与边桁下弦杆在荷载作用下的伸长值不同，边桁与中桁不同步的变形受到约束所致。方案二在恒载作用下，即便恒荷载为对称荷载，中桁的内力仍大于边桁，中桁下弦的伸长量大于边桁，而横桥向的三个支座均限制了钢梁纵向的变形，故而表现为边桁的纵向反力和与中桁大小相等方向相反；在汽车偏载作用下，左右幅边桁及中桁下弦的伸长量均不一致，最不利加载工况下，三个支座处的水平反力则各不相同。

综合以上分析，三榀简支钢桁架桥中桁支座纵向滑移约束全部释放，可以消除恒载作用下支座处的水平反力，但是汽车偏载下的水平反力依旧较大，在进行支座选型时需要对单向活动支座非滑移方向的水平承载能力提高要求，以满足结构受力需要。

4 三榀连续钢桁架梁桥

以某2×180 m连续钢桁架梁桥为例，该桥横向布置三榀桁架，桁架中心间距为2×18.75 m，其约束体系为：在49#墩下弦节点处分别设置纵向固定、横向滑动支座和横向固定、纵向滑动支座，在48#和50#墩下弦节点处分别设置纵向滑动支座和双向滑动支座，记为方案三；作为对比，按照传统连续梁桥的约束体系布置其支座，记为方案四，区别在于49#墩中桁支点处是否约束纵向滑动。

通过有限元分析软件Midas Civil，建立钢桁架梁桥空间梁格模型，其中主桁架及纵横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，边界条件按照实际支座设置情况进行模拟，计算时考虑汽车偏载加载的不利工况。桥型布置、支座布置及计算模型如图6所示。

表4列举了不同工况下三榀连续钢桁架梁桥49#墩的支座反力情况。由计算结果可知，按照传统梁桥布置支座的方案四与本案例的支座布置方案三相比，两个方案在恒载和汽车荷载作用下的竖向反力几乎相同。

与三榀简支钢桁架梁桥不同的是，在恒载作用下，方案三和方案四49#墩支座均不产生水平力，虽然中桁下弦受力较边桁下弦受力大，中桁与边桁下弦变形不一致，但由于本案例为两跨完全对称布置的连续钢桁架梁桥，相邻两跨由于边中桁变形不同步产生的水平反力相互抵消。

与三榀简支钢桁架梁桥相同，在汽车偏载作用下，方案三和方案四均产生了数值较大的纵向水平反力。其中，中桁释放纵桥向滑移约束的方案三的水平反力相较于方案四更小，对桥墩和桩基础的设计更为有利。

钢桁架桥由于结构高度大，行车风荷载作用下，支座横桥向的水平反力相对较大，亦有可能成为控制桥墩设计的关键因素。

此外，若三榀连续钢桁架梁桥为多跨奇数跨布置，按照传统梁桥布置支座的方案，即固定墩处边中桁三个支座纵向滑移均约束，记为方案五，在恒载作用下仍旧会产生数值可观的纵桥向水平反力。而采取本文提出的在固定墩处仅边桁支座约束纵向滑移、中桁支座释放纵向滑移的方案，记为方案六，恒载下各支座水平反力均为0，如图7所示。

综合以上分析，三榀连续钢桁架桥中桁支座纵向滑移约束全部释放，可以消除恒载作用下的支座水平反力，但是汽车偏载下的水平反力依旧较大，在进行支座选型时需要对单向活动支座非滑移方向的水平承载能力提高要求，以满足结构受力需要。

5 结 论

本文结合5座钢桁架梁桥的工程实例，重点剖析了简支结构和连续结构两种型式下横向布置两榀及三榀桁架钢桁架梁桥的支座设计思路，可为钢桁架梁桥约束体系的设计提供指导和建议。得出以下结论：

（1） 传统箱（板）梁桥约束体系的支座布置形式不完全适用于钢桁架梁桥，若简单套用则可能会引发桥墩、桩基础的设计不满足受力要求、支座水平承载能力不足的问题。

（2） 对于两榀钢桁架梁桥的支座设计可采用传统梁桥的约束体系，但汽车偏载及横桥向行车风产生的水平反力相比摩阻力或制动力更大，且与摩阻力或制动力同时发生，在进行下部结构设计时不容忽视；支座非滑移方向水平承载力与竖向承载力能力的比值应根据计算结果特别约定。

（3） 对于三榀钢桁架梁桥的支座设计建议采用释放中桁纵向滑移，仅约束边桁纵向滑移的约束体系，可消除恒载作用下的边、中桁纵桥向反力，减小汽车偏载作用下的边桁纵桥向反力。同时，汽车偏载及横桥向行车风产生的水平反力相比摩阻力或制动力更大，且与摩阻力或制动力同时发生，在进行下部结构设计时不容忽视；支座非滑移方向水平承载力与竖向承载力能力的比值应根据计算结果特别约定。

参考文献

[1] 陈培芳，张韬.连续钢结构桥梁结构控制方法［J］.中国水运，2020（7）：144-146.

[2] CHEN Peifang，ZHANG Tao.Structural control method of continuous steel bridge［J］.China Water Transport，2020（7）：144-146.（in Chinese）

[3] 邓斌.浅谈钢结构桥梁梁段吊装技术［J］.中国水运，2020（11）：147-148.

[4] DENG Bin.Lifting technology of girder section of steel structure bridge［J］.China Water Transport，2020（11）：147-148.（in Chinese）

[5] 王占飞，冯瑾，梁伟，BIM虚拟施工技术在装配式钢结构桥梁中的应用研究［J］.北方交通，2020（7）：9-13.

[6] WANG Zhanfei，FENG Jin，LIANG Wei，et al.Research on the application of BIM virtual construction technology in assembled steel structure bridge［J］.North Traffic，2020（7）：9-13.（in Chinese）

[7] 黄德明.双层钢桁架连续梁桥结构设计［J］.中国水运，2021，21（9）：121-122.

[8] HUANG Deming.Structural design of double-deck steel truss continuous girder bridge［J］.China Water Transport，2021，21（9）：121-122.（in Chinese）

[9] 任正林.半穿式钢桁架连续梁桥各向振动响应分析［J］.北方交通，2017（3）：9-12，6.

[10] REN Zhenglin.Analysis of the anisotropic vibration response of half-through steel truss continuous girder bridge［J］.North Traffic，2017（3）：9-12，6.（in Chinese）

[11] 盛荣荣，刘玉擎，董小强，热轧变厚U肋钢桥面板疲劳机理分析［J］.结构工程师，2022，38（6）：30-37.

[12] SHENG Rongrong，LIU Yuqing，DONG Xiaoqiang，et al.Fatigue mechanism analysis of hot-rolled thickened U-rib steel bridge panels［J］.Structural Engineer，2022，38（6）：30-37.（in Chinese）

[13] 李欣，王君.钢桁梁桥顶推施工关键技术探析［J］.交通世界，2024（20）：175-177.

[14] LI Xin，WANG Jun.Exploration of key technology of jacking construction of steel truss bridge［J］.Traffic World，2024（20）：175-177.（in Chinese）

[15] 王亚龙.公铁两用钢桁梁桥公路桥面板更新技术研究［J］.中国水运，2019，19（8）：213-215.

[16] WANG Yalong.Research on panel renewal technology of highway bridge panels of steel truss girder bridges for public-railway dual-use［J］.China Water Transport，2019，19（8）：213-215.（in Chinese）

[17] 余佳干，肖若鹏.变高连续钢桁梁BIM正向设计［J］.公路，2024，69（7）：124-128.

[18] YU Jiagan，XIAO Ruopeng.BIM forward design of continuous steel truss beams with variable height［J］.Highway，2024，69（7）：124-128.（in Chinese）

[19] 张洪金.三跨连续钢桁梁桥小边中跨比应对措施研究［J］.上海公路，2021（2）：46-49，166.

[20] ZHANG Hongjin.Study on the measures for small side to middle span ratio of three span continuous steel truss bridge［J］.Shanghai Highway，2021（2）：46-49，166.（in Chinese）

[21] 周绪红，刘永健.钢桥［M］.北京：人民交通出版社有限公司，2020.

[22] ZHOU Xuhong，LIU Yongjian.Steel bridge［M］.Beijing：China Communication Press，2020.（in Chinese）

[23] 徐芝纶.弹性力学简明教程［M］.北京：高等教育出版社，2018.

[24] XU Zhilun.A concise tutorial in elasticity［M］.Beijing：Higher Education Press，2018.（in Chinese）

[25] 公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015［S］.北京：人民交通出版社，2015.

[26] General specification for design of highway bridges and culverts：JTG D60—2015［S］.Beijing：China Communication Press，2015.（in Chinese）