上承式異形景觀拱橋設(shè)計(jì)研究

孫淑強(qiáng) 孫建淵

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

1 工程背景

橋梁在現(xiàn)代生活中所起到的作用日益重要，不僅要保證人們?nèi)粘３鲂械捻槙常乙o人們帶來美的感受。所以，在橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要考慮橋梁安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)，也應(yīng)重視橋梁的景觀設(shè)計(jì)，體現(xiàn)地域特色，文化特色，甚至要求橋梁能夠成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑，成為當(dāng)?shù)氐拿唬?］。

2 方案比選

本橋位于校園內(nèi)，橋位已基本確定，為溝通南北校區(qū)的人行通道起到關(guān)鍵性作用。通過征詢各方意見，考慮景觀需要，在不影響防汛及節(jié)省投資的前提下，采用一跨過河方案。

2．1 鋼結(jié)構(gòu)拱橋(推薦方案)

該方案橋?yàn)榻M合式鋼結(jié)構(gòu)拱橋，主梁與兩側(cè)拱組合受力。邊跨拱平衡部分主拱圈水平推力。本橋線條流暢，結(jié)構(gòu)新穎，體現(xiàn)了傳統(tǒng)與現(xiàn)代的組合美。該方案為20 m+50 m+20 m鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋。上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，縱向主梁梁高80 cm，拱圈采用900×800箱形結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

2．2 斜拉橋(比選方案一)

本方案橋梁主體為獨(dú)塔式斜拉橋，塔主體與拉索形成一座抽象的豎琴。塔的底部和橋的另一端各放抱鼓石進(jìn)行收尾點(diǎn)綴。整座橋梁簡潔流暢。該方案采用1孔47 m斜拉橋。主梁采用鋼結(jié)構(gòu)。橋面寬度:0．25 m(欄桿)+9．5 m(人行道)+0．25m(欄桿)=10．0 m。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

2．3 鋼筋混凝土拱橋(比選方案二)

本方案為單跨仿古拱橋，拱圈兩側(cè)上方分別設(shè)計(jì)兩個圓洞出水孔，與駁岸相接處設(shè)計(jì)兩個通行門洞，既方便學(xué)生穿行，又與拱圈上方的兩圓洞相呼應(yīng)，若遇高水位，可以達(dá)到泄洪的目的。橋面寬度:0．25 m(欄桿)+9．5 m(人行道)+0．25 m(欄桿)=10．0 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

2．4 方案比選

根據(jù)我國目前的設(shè)計(jì)水平及建設(shè)能力，三個方案均是可行的。同時施工工藝成熟，各橋型方案的安全性、耐久性也是能夠得到充分保證的。

從造價分析，鋼筋混凝土拱橋造價為820萬元，鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋方案為917萬元，斜拉橋方案為1 050萬元;從施工周期分析，鋼筋混凝土拱橋和鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋方案工期約9個月，而斜拉橋方案約12個月;從新穎、美觀性分析，這三個方案各具特色，但鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋方案技術(shù)先進(jìn)，國內(nèi)少見。詳細(xì)比選見表1。

表1 方案比選表

綜合橋位處的規(guī)劃、地形地貌、地質(zhì)水文等基本條件，同時充分考慮設(shè)計(jì)方案的功能適用性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性、橋梁的景觀性、工程實(shí)施的可行性，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋符合安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)和美觀等要求，也易與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，最終確定了鋼結(jié)構(gòu)組合拱橋作為本橋的方案。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)荷載等級:橋梁設(shè)計(jì)荷載:汽車限重5 t;人均荷載:3．5 kN/m2。2)通航及防洪要求:無航道要求，按50年一遇洪水位控制。3)橫斷面:0．3 m(欄桿)+9．4 m(人機(jī)非混行帶)+0．3 m(欄桿)，總寬10 m。橋面部分區(qū)域需根據(jù)總體布置要求加寬至11．5 m。4)橋面坡度:本橋位于半徑為387 m的豎曲線上，橋頭利用半徑為100 m的圓弧與道路相接。橋面橫坡:橋面設(shè)0．5%雙向橫坡。5)抗震標(biāo)準(zhǔn):地震基本烈度8度，橋梁抗震設(shè)防類別為C類。6)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年。7)安全等級:二級，重要性系數(shù)1．0。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋跨徑組合為20m+50m+20m，總長90m。采用上承式梁拱組合體系橋梁。邊拱肋及斜撐為內(nèi)傾式空間曲線線型。在一側(cè)邊拱肋上設(shè)置1．5 m寬人行道。人行道在橋跨中心處與橋面連為一體。全橋立面布置圖見圖1。

圖1 全橋立面布置圖

4．1 主梁

橋面標(biāo)準(zhǔn)斷面總寬為10．0 m，由縱梁及橋面板組成?？v梁為封閉箱形斷面，梁高800 mm，寬800 mm，底板厚16 mm，腹板厚12 mm。橋面板厚12 mm，每隔2．5 m設(shè)置一道橫梁，橫梁為工字形斷面，翼板厚16 mm，腹板厚12 mm，腹板上設(shè)置加勁肋。梁拱相接處橫梁進(jìn)行了局部加強(qiáng)?？v梁在跨中25 m范圍內(nèi)與拱肋(斜撐)合二為一，梁高加大，下緣為拋物線。

4．2 拱肋

本橋中拱肋為豎向平面拱肋，中跨拱軸線為二次拋物線，中拱肋為封閉矩形箱形斷面，梁高900 mm，寬800 mm，頂?shù)装搴?5 mm，腹板厚20 mm，在靠近拱腳處局部加強(qiáng)，頂?shù)装搴穸日{(diào)整為30 mm，并灌注混凝土。邊拱肋為內(nèi)傾式拱面，傾斜角為36．03°，梁高900 mm，寬800 mm，頂?shù)装搴?25 mm，腹板厚20 mm，在靠近拱腳處局部加強(qiáng)，頂?shù)装搴穸日{(diào)整為30 mm，并灌注混凝土。

4．3 立柱

拱肋(斜撐)與主梁之間設(shè)置立柱，立柱間距2．5m，中立柱采用工字形斷面，梁高750 mm，翼板寬500 mm，厚16 mm，腹板厚12 mm。邊立柱為傾斜布置，立柱采用工字形斷面，梁高500 mm，翼板寬500 mm，厚16 mm，腹板厚12 mm。

4．4 拱間橫撐

中拱肋(斜撐)與邊拱肋(斜撐)之間設(shè)置橫撐。中跨橫撐采用工字形斷面，梁高600 mm，翼板寬300 mm，厚12 mm，腹板厚12 mm。邊跨橫撐采用工字形斷面，梁高450 mm，翼板寬300 mm，厚12 mm，腹板厚12 mm。

4．5 橋墩橋臺及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本橋橋墩采用群樁基礎(chǔ)。在每個拱腳下設(shè)置一個承臺，承臺之間利用橫系梁連接。單個承臺厚度為2．0 m，寬4．6 m，長7．2 m，承臺下布置6根直徑1．0 m的鉆孔灌注樁，樁長20 m。承臺橫向張拉6束15．2-9的鋼絞線。每個承臺之間設(shè)置一道系桿，每道系桿內(nèi)設(shè)置4束鋼絞線。

5 關(guān)鍵技術(shù)問題研究

5．1 空間結(jié)構(gòu)分析

本橋由傾斜的鋼箱拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜撐桿組成，共同構(gòu)成三維空間結(jié)構(gòu)體系共同承受外荷載，空間效應(yīng)明顯，采用Midas/Civil建立空間桿系模型進(jìn)行了計(jì)算分析(見圖2)。

計(jì)算結(jié)果如下:在最大最不利組合包絡(luò)工況下，鋼拱肋結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力156 MPa;在最不利組合工況為恒載+滿布人群活載+整體升溫的組合情況下，鋼縱梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力111 MPa;根據(jù)TB 10002．2-2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Q345的鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為210 MPa，故結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。主拱撓度最大值為2．7 cm指定的最大撓度值，即結(jié)構(gòu)在人群作用下的變形滿足規(guī)范要求。

圖2 成橋階段空間模型

根據(jù)Midas空間模型計(jì)算，可以看出橋梁在各種不利荷載作用下均滿足設(shè)計(jì)要求。

5．2 穩(wěn)定計(jì)算

拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題成為影響其極限承載力的重要因素。本橋?yàn)殇撓涔皹?，比較纖細(xì)，在承受的荷載達(dá)到某個臨界值的時候平衡會突然喪失，從而造成失穩(wěn)破壞［2］。因此，對本橋的穩(wěn)定性要進(jìn)行計(jì)算，以保證橋梁的安全性。根據(jù)成橋狀態(tài)下所有靜力荷載組合對主橋的穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，如圖3所示為橋梁一階整體穩(wěn)定模態(tài)，本橋一階整體屈曲系數(shù)為41．15，值較大，說明橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下不會發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 最不利荷載作用下結(jié)構(gòu)整體一階屈曲變形圖

5．3 拱腳局部分析

本橋的鋼拱肋直接插入混凝土拱座中，涉及鋼與混凝土異種材料的結(jié)合，為保證拱肋中六方向內(nèi)力順利傳遞至混凝土底座中，用ANSYS有限元計(jì)算軟件對拱腳進(jìn)行局部分析。

梁單元在拱腳處內(nèi)力變化較大，為保證模擬精確，取單個拱座及包括插入拱肋內(nèi)部總長1．6m鋼拱肋為計(jì)算對象，建立實(shí)體—板殼有限元模型，為精確模擬鋼與混凝土間的連接件作用，建立三維彈簧單元。為保證梁單元荷載順利施加至拱腳模型中，建立鋼結(jié)構(gòu)梁單元進(jìn)行荷載的施加。邊界條件為混凝土底部固結(jié)。

混凝土底座應(yīng)力分布如圖4所示，拱座中除與鋼拱肋連接部位，其余部位混凝土應(yīng)力均較小，最大拉應(yīng)力均在1 MPa以內(nèi)。在鋼拱肋與混凝土連接部位，為保證兩者間共同作用，除布置連接件外，需布置足夠的構(gòu)造鋼筋，限制混凝土的裂縫。

圖4 混凝土底座沿拱軸方向應(yīng)力分布

6 結(jié)語

本橋造型新穎別致，較好的與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，同時也采用了較先進(jìn)的施工方法。但是，由于邊拱肋為空間傾斜，使得橋梁受力較復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯。同時，鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)比較纖細(xì)，且為受壓構(gòu)件，其穩(wěn)定性影響橋梁極限承載力，故采取空間模型計(jì)算分析，以保證橋梁在正常使用狀態(tài)下的安全。拱腳處為鋼混凝土結(jié)合段，二者協(xié)同受力，混凝土構(gòu)件受到空間力作用，鑒于混凝土抗拉能力弱，對其拱腳處采用實(shí)體分析，其最大應(yīng)力不超過1 MPa，拱腳混凝土在未開裂狀態(tài)下工作，保證了橋梁的安全。

［1］楊士金，唐虎翔．景觀橋梁設(shè)計(jì)［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2003:4．

［2］劉彬斌，吳 沖．外傾式鋼箱拱橋穩(wěn)定性研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)橋梁系，2006．

［3］吳 沖．現(xiàn)代鋼橋［M］．北京:人民交通出版社，2006:9．