简支钢桁梁桥设计概要-桥梁工程概论

简支钢桁梁桥的设计内容繁多。从设计对象上，包括主桁（含杆件拼接、节点板）、桥面系、联结系、连接件（高强螺栓）等；从设计内容上，包括杆件及连接件的受力分析、杆件的尺寸和截面选择，连接件的布置等；结构设计除满足规范的构造要求外，结构整体、杆件及其连接在强度、疲劳、刚度、整体及局部稳定性等方面还须通过规范的验算要求。

下面简要介绍主桁的主要尺寸及杆件截面形式。

1.主桁的主要尺寸

主桁的主要尺寸是指：主桁高度（简称桁高）H、节间长度L、斜杆倾度θ及两主桁的中心距B。上述尺寸对于桁梁桥的受力性能和技术经济指标起决定作用。以某双线高速铁路三角桁架的钢桁梁桥为例，各尺寸标识如图6.20所示。

图6.20　主桁主要尺寸

（1）桁高H

桁高H较大时，弦杆受力较小，弦杆的用钢量可较省；但桁高增大导致腹杆增长，腹杆用钢量将有所增加。对于一定跨度的桁梁桥，对用钢量而言，将有某一桁高是较经济的，这个高度称之为经济高度。根据过去大量的设计资料，铁路下承式简支桁梁桥的经济高度一般约为跨长的1/10～1/5。铁路桥列车荷载较大，且容许挠度较小，其高跨比宜取大些。在铁路桁架桥标准设计中，对于三角形腹杆体系桁架桥采用11m高（单线）；米字形腹杆体系桁架桥采用16m高（双线）。

桁高对桁梁桥的挠度影响很大。为了保证桥的竖向刚度，桁高的确定应使桁梁在竖向静活载作用下，其最大挠度不超过规范容许值。另外，对下承式桁梁而言，桁高必须满足建筑限界的要求，对于中承式桁梁而言，桁高还必须满足桥上净空的要求。

（2）节间长度L

节间长度L是指水平弦杆两节点间的长度。节间长度对桁梁桥的用钢量有一定影响。节长较短，主桁斜腹杆也相应变短，但纵梁、横梁数量增多；但由于纵梁的跨度或外力减小，故梁的截面可小。因此，也有一个较为经济的节间长度。一般下承式桁梁节间长度为5.5～12m，或为桁高的0.8～1.2倍。标准设计中采用8m，非标准设计常采用4m、6m、12m、15m。

（3）斜杆倾度θ

斜杆倾度θ与桁高、节间长度有关，斜杆倾度的大小影响到节点构造。斜度设置不当，不仅会影响节点板的形状及尺寸，而且使斜杆位置难以布置在靠近节点中心处，以致削弱节点平面外刚度，增加节点平面内的刚度。根据以往设计经验，对有竖杆的桁梁，斜杆轴线与竖直线的交角以在30°～50°范围内为宜，无竖杆者可适当加大。

（4）主桁的中心距B(www.xing528.com)

主桁的中心距B与桁梁桥的横向刚度及稳定性，以及桥上净空（单线6.4m；双线10.0m）有关。主桁的中心矩与跨度之比称为宽跨比。为了保证桥梁的横向刚度，主桁的中心距通常不小于跨长的1/20；对连续桁梁，可放宽到1/25。

对于下承式桁梁桥，主桁中心距还必须满足建筑限界的要求；对于上承式桁梁桥，主桁中心距与桁梁桥的横向倾覆的稳定性有关。在确定主桁中心距时，应考虑这一点。

总之，主桁的这几个主要尺寸，是相互关联的。不仅如此，它们还与主桁的几何图式有着密切的关系。因此，在拟定主桁的主要尺寸时，应当结合主桁的几何图式统一考虑。

我国单线铁路下承式钢桁梁的标准设计尺寸是：当跨度为48m、64m、80m 时，主桁采用三角形桁架，节间长度8m，桁高11m，主桁中心距5.75m（该尺寸能满足建筑限界宽度4.88m的要求和桥梁横向刚度的要求），各斜杆倾角在30°～50°的范围内。

对高速铁路桥梁，列车运行速度加快，活载模式发生变化，建筑限界有所调整，刚度控制要求严格，因此，高铁桁梁桥的主要尺寸选择，除参考常规铁路桥梁的要求外，还须根据现行的《高速铁路设计规范》规定办理。对图6.20所示的桁梁桥，当跨度为80m时，可取桁高12.8m，节间长度10m，中心距15m；当跨度为96m时，取桁高13.6m，节间长度12m，中心距保持不变。

2.主桁杆件截面形式的选择

主桁焊接杆件的截面形式主要有两类：H形截面和箱形截面，见图6.21。

H 形截面由两块竖板（翼板）和一块水平板（腹板）焊接而成，截面杆件的高度为 h，宽度为 b，见图6.21（a）。这种截面的优点是构造简单，焊接容易，安装方便；不足的是截面对x—x轴的回转半径比对y—y轴的小很多，当采用H形杆件作压杆时，基本容许应力的折减相当大。因此，对内力较小的杆件或长细比相对较小的压杆，适于采用 H 形截面。我国常规跨度的钢桁梁桥中，H形杆件用得最多。另外，当尺寸b较大时，为保证腹板的稳定，可在腹板上沿杆件长度方向焊接两条肋板，构成一个截面上呈“王”字形的杆件。

图6.21　主桁杆件的截面形式

箱形截面由两块竖板和两块水平板焊接而成。由于箱形截面对两个主轴的回转半径相近，因此，它在承受压力方面优于 H 形杆件。但是箱形截面的杆件在工厂制造时比较费工，焊接变形也需控制和修整。它通常只用于内力较大和长细比较大的压杆或拉—压杆件。常用的箱形截面形式见图6.21（b）。它可用于主桁各主要杆件。传统的做法是：将箱形截面的杆件用于压杆及拉—压杆件时，为了保证竖板及水平板的局部稳定性，箱内视情况设置横隔板，其间距一般不大于3m；靠近端部的隔板，其周边均与竖板和水平板焊连，以防外界潮气侵入箱内而引起钢材锈蚀。为便于工地安装螺栓，也可不设端隔板或在杆端预留出操作通道。目前，对承受特大压力的箱形杆件，还可在箱内垂直于各板中部焊接通长的内置纵肋。

进行主桁杆件尺寸设计时，应考虑制造、板件尺度和杆件刚度的要求。同一主桁架中所有杆件的宽度应相等，以保证节点构造简单合理且横梁长度一致；确定截面高度时，需考虑节点处螺栓的排布，尽量满足既能布置下足够的螺栓，又不致产生节点刚性引起的次应力；弦杆高度最好全跨相同或变化不大。此外，各板件的宽厚比应满足规范要求，以保证薄板的局部稳定性要求。杆件的长细比需适中，以防止过大的变形或振动。

在我国干线铁路简支钢桁梁桥设计中，常用的主桁杆件宽度 b 有460mm、600mm、720mm 等几种，主桁杆件高度 h 有260mm、440mm、460mm、600mm、760mm、920mm、1100mm 等几种。在下承式栓焊桁梁标准设计（48m、64m 和80m 三种跨度）中，主桁杆件宽度 b 一律用460mm。杆件高度 h 则根据其内力大小、杆件长短和栓孔线布置而采用不同的尺寸：弦件 h＝460～500mm，斜杆 h＝440～620mm，竖杆 h＝260mm。当桁架用于大跨的梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥时，主桁杆件的尺寸需根据受力要求确定。