钢桁梁桥主桁及经济高度分析

主桁（图6.3.2）是钢桁梁桥的主要承重结构。钢桁梁桥有两片主桁架，每片桁架一般由上弦杆、下弦杆、斜杆及竖杆等组成，斜杆和竖杆统称为腹杆。两片主桁架的作用相当于板梁的两片主梁。铁路钢桁梁桥一般采用下承式。

图6.3.1　钢桁梁

图6.3.2　下承式钢桁梁组成示意图

1. 主桁形式

我国中等跨度（48～80 m）的下承式桁梁桥，其主桁结构常采用图6.3.3（a）中的几何图示，而不采用图6.3.3（b）。二者的斜杆方向不同，基于此，在竖向荷载作用下，图式6.3.3（a）的竖杆较图式（b）受力较小，受压斜杆的数量也较少，而且图式6.3.3（a）的弦杆内力不像图式6.3.3（b）那样在每个节间都得变化一次，因而图式6.3.3（a）的弦杆截面，易于选择得较为经济合理。由于这些原因，使图式6.3.3（a）比图式6.3.3（b）更为节省钢料。具有图6.3.3（a）这种形式的桁梁桥，其构造简单，部件类型较少，适应设计定型化，有利于制造与安装，宜于选作标准设计桁梁桥的主桁图式。因此，我国铁路下承式桁梁的标准设计，当跨度为64～80 m 时，不论是简支桁梁或是连续桁梁，其主桁样式均采用图6.3.3（a）。(www.xing528.com)

图6.3.3　钢桁梁几何图示

对于大跨度 ＞ 80 m 的下承式铁路钢桁梁桥，为了节省钢料，曾经采用过上弦为折线形的主桁图式6.3.3（f）。由于这种图式的主桁高度变化符合主桁弯矩图，因此，具有这种图式的桁梁桥，较平行弦要节省钢料2%～3%。但由于它的杆件类型多，节点类型也多，因而增加了构件加工的数量，给工厂制造增添了一些困难；由于构件类型较多，大大降低了构件的互换性，不利于制造、安装与修复。再分式、K 式、米字形桁梁为大跨度或特大跨度桁梁的样式，它们的共同特点是：在节间长度不加大（仍采用8 m）的情况下，使倾度保持在合适范围之内，以增大桁梁高度。1949 年以来，我国修建的南京、武汉、金沙江等多座大跨度钢桁梁（跨度从128 m 到192 m）大多采用米字形桁梁。

桁高对钢桁梁的挠度影响很大，为了保证桁梁桥的竖向刚度，使它在竖向静荷载作用下所产生的最大弹性挠度不超过规范限值的要求，桁高不能太小。下承式钢桁梁的桁高，还必须满足桥梁建筑限界的要求。但桁高也不能过大，因为桁高过大，虽然弦杆受力较小可以节省一些钢材，但腹杆较长，用钢料将大大增加。所以对于一定跨度的钢桁梁，存在某一对用钢量来说是最经济的桁高，这个高度称之为经济高度。根据资料统计，铁路下承式简支钢桁梁的主桁的经济高度一般为跨度的1/5～1/8。

2. 主桁受力

简支桁梁，当节点上作用有竖直荷载时，其上弦总是受压，下弦总是受拉。只是在上承式桁梁中，当桥枕直接铺在上弦杆上时，上弦除了受压力外，还要承受局都弯曲。简支梁与板梁，按其结构图式，都是支承在两个支点上的简支梁，所不同的是，桁梁以腹杆代替了板梁的腹板。所以，在桁梁中像在板梁中一样，弦杆的作用力是由弯矩产生的，腹杆中的作用力是由剪力产生的，因为弯矩是由跨中逐渐向两端支座减小的，所以平弦桁架弦杆的作用力在跨中最大，而在支座处最小。因为剪力是在支座处最大，且逐渐向跨中递减至最小，所以用来承受剪力的斜杆恰与弦杆相反，在支座处的作用力最大而跨中最小。并且，在支座附近上升的斜杆受压，而下降的受拉。在跨度中间附近，无论是上升或下降的斜杆，都是随着列车活载在桥上的位置可能受压或受拉。因此，这种杆件被称为拉压杆件，或称为反复应力杆件。下承式桁梁的吊杆是一附加构件，它的作用是吊住下弦杆，减小节间长度，以及承受横梁的反力，并将这个反力传到桁架的上节点。因此，吊杆总是受拉力，并且只承受在它相邻节间内的荷载。下承式桁梁的竖杆也是一附加构件，它的作用是减小受压弦杆（上弦杆）的自由长度，并承受由此产生的压力。活载对竖杆并不产生应力。在上承式桁梁中，竖杆的作用与下承式桁梁的吊杆相同，不过它受的是压力，而吊杆是用来吊住受拉下弦防止其下垂的，列车活载对它所产生的应力等于零，所以在节间长度不大时，上承式桁梁可不设置吊杆。