浅谈预应力钢桁架在大跨度人行便桥中的设计应用

田贵洪，张剑宁

(四川路航建设工程有限责任公司)

1 前 言

在建设工程施工过程中，人行便桥作为一种跨越障碍形成人员通道的措施性结构物，因环境差异其结构形式也多种多样。钢桁架梁结构具有自重轻、跨度大、节约资源等特点，在桥梁跨径一定的条件下，采用恰当的结构断面组合型式，充分利用组成材料的特性，采取对钢桁架施加预应力的技术措施，可进一步的减小结构断面尺寸，减轻自重，减小结构变形，提高结构承载能力和安全稳定性，节约成本。

乐山沙湾大渡河一桥位于乐山市沙湾区城郊，桥梁横跨大渡河，其中第10 跨和11 跨主桥为87.5 m +87.5 m 单箱单室变截面预应力T 型刚构。10#主墩处于大渡河主河床内，采用挂篮悬臂逐段对称浇筑混凝土施工工艺，混凝土泵送入仓。因工程需要，有44 m 长的主梁悬浇节段需在汛期施工。汛期桥位处桥面距水面高度约12 m，水深5～7 m，流速4～5 m/s，水流湍急。

为保证主桥在汛期安全、连续施工，项目部设计并自制了一座跨径46 m 的跨河人行/泵送混凝土布管两用预应力钢桁架便桥。便桥采用普通型钢杆件组合成梯形断面，整体焊接成三角单元组成的立体受力桁架梁，对桁架梁施加预应力后，能满足泵送混凝土作业的同时通行20 人的承载要求。便桥总重7.5 t，利用枯水期就地平整场地加工制作，采用1台25 t 吊车安装，一端安装在引桥9#墩处桥面端部，另一端跨河安装在已成型的悬浇箱梁混凝土顶面，安拆方便、快捷。该预应力钢桁架通道结构自重轻，跨度大，变形小、稳定性好，避免了船只通行干扰和漂浮物撞击风险，确保了作业安全，节约了工程成本，保证了汛期主体工程施工的顺利实施。

2 钢桁架人行便桥结构设计

2.1 主体受力钢桁架

便桥主体受力钢桁架总长46.16 m，高度1.13 m，顶部宽0.6 m，底部宽1.28 m，两支点间距(跨径)46 m，桁架由［18a、80 ×80 ×5 mm、L63 ×4 mm 等型钢组合焊接形成，材质均为Q235 钢材，外涂防锈漆，桁架总重5 241 kg。

2.2 预应力体系

由桁架底部的三根80 ×80 ×5 mm 方钢管内各布置3 根Φ15.24(标准强度1 860 MPa)的高强低松弛钢绞线，共设9根钢绞线，均为通长直线配筋，单根钢绞线设计张拉力90 kN，通过桁架端部的配套BM15－3 锚具锚固，张拉锚固完成后压注M30 防锈蚀水泥净浆，然后用环氧砂浆封锚，预应力材料总重约460 kg。

2.3 便桥桥面系

桁架顶铺设竹筏板形成便桥桥面，两侧由L63 ×4 和Φ20 钢筋及尼龙安全网组成防护栏，总重约787 kg。

2.4 支座系统

便桥呈简支受力状态，由已成型的桥梁顶面支承，固定端支点由20 mm 厚钢板支垫、锚固螺栓、和调平钢板等组成;便桥自由端由四氟滑板、调平钢板和横向限位钢板等组成。

3 钢桁架验算情况

钢桁架按照实际使用受力情况进行荷载组合，采用MIDAS建模验算，实际荷载项目有:①便桥桁架自重1 117 N/m;②人员荷载(同时通行20 人)426 N/m;③输送泵管及混凝土重量586 N/m;④桥面系荷载168 N/m;⑤八级风力荷载156 N/m;⑥预应力荷载810 kN;⑦预应力材料自重98 N/m;⑧M30 水泥净浆重量217 N/m;验算分为不施加预应力和施加预应力两种工况进行，其桁架应力和变形验算结果对比见表1 验算结果汇总表。

表1 验算结果汇总表

(1)验算工况1—不施加预应力，钢桁架应力和变形验算结果分别见图1 和图2。

图1 桁架未施加预应力应力验算结果图示

钢桁架跨中顶部产生最大压应力149.9 MPa，跨中底部产生最大拉应力141.2 MPa，其应力值在允许控制范围内，但跨中产生的最大变形值278 mm 已远超过L/400 =115 mm的规范控制要求，桁架的稳定及安全性不可靠，不能满足安全使用要求。

(2)验算工况2—施加预应力，钢桁架应力和变形验算结果分别见图3 和图4。

图2 桁架未施加预应力变形验算结果图示

图3 桁架施加预应力后应力验算结果图示

钢桁架锚固端部附近产生最大压应力164 MPa，最大拉应力95.5 MPa，钢绞线应力633 MPa，其应力值在允许值控制范围内，桁架跨中产生的最大变形值107 mm 符合L/400=115 mm 的规范控制要求，满足了安全使用要求。

图4 桁架施加预应力后变形验算结果图示

通过在桁架梁底部布置少量的高强低松弛钢绞线并对其预先张拉，使钢绞线预先完成部分受拉变形量，在载荷载作用下桁架底部产生的大部分拉力转换至强度高、变形小的钢绞线承受，从而减小了整个桁架的变形量，提高了结构的安全稳定性，增强了结构跨越能力和承载能力。

4 结束语

钢桁架与预应力组合运用，其合理的断面构造形式是减轻自重、节约材料的关键，同时整体受力桁架也必须满足施加预应力后的强度和稳定性要求;施加预应力后桁架锚固端部附近应力较大，可以通过局部范围焊接钢板等措施进行加强处理;预应力筋的布置形式、施加预应力的大小等取决于荷载大小、荷载形式、桁架构造形式、跨度大小等综合因素决定，往往跨度较大时采用曲线配筋会更合理;受力桁架的组成型式往往需要反复的设计修改和验算，确保应力和变形指标均满足规范要求，最终达到使用安全、经济合理的目的。

［1］钢结构设计规范(GB50017－2003)［S］.

［2］公路桥涵施工技术规范(JTG TF50－2011)［S］.

［3］预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程(JGJ85－2010)［S］.

［4］公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62－2004)［S］.