中承式鋼箱坦拱橋設(shè)計(jì)

摘要：本文以某限高地區(qū)中承式鋼箱坦拱橋?yàn)閷?shí)例，簡(jiǎn)述該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)討論了施工方案的選取。計(jì)算結(jié)果表明，該橋的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，本方案在高度受限地區(qū)適用，對(duì)其他工程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋼箱坦拱橋；有限元；限高地區(qū)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

擬建大橋區(qū)域地勢(shì)較為平坦，南側(cè)有現(xiàn)狀大堤，北側(cè)現(xiàn)狀為駁船碼頭，兩岸地面標(biāo)高2.5m左右。江底標(biāo)高最深為-9.2m左右，常水位水深10m以內(nèi)，江面寬約390m。西北向約3km處存在某機(jī)場(chǎng)，該橋在機(jī)場(chǎng)限高60m（與機(jī)場(chǎng)的相對(duì)高程）的范圍內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)狀，擬建大橋應(yīng)同時(shí)滿足主跨400m左右，通航凈高24m以及結(jié)構(gòu)限高60m三個(gè)基本條件，鋼箱坦拱橋和矮塔斜拉橋是常規(guī)的適用橋型。但對(duì)于城市跨河橋梁而言，除滿足交通功能外，還要重視景觀要求，該橋上游已存在斜拉橋，為形成“一橋一景”的建設(shè)形態(tài)，選取中承式鋼箱坦拱橋作為最終設(shè)計(jì)方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案為大斷面中承式鋼箱坦拱橋。主跨跨徑402m，矢高59.5m，中拱矢跨比f/L=6.756，拱軸線采用二次拋物線形，拱肋高5.0～9.0m；邊拱矢高13.78m，拱軸線仍為二次拋物線形，拱肋高4.0～7.0m；拱肋均為工字形鋼箱斷面，橫向?qū)挾?.0m。加勁梁通過吊桿或立柱支承于拱肋上，梁高2.8m；加勁梁采用正交異性橋面板鋼箱梁，中跨加勁梁為開口斷面，兩端通過滑動(dòng)支座支承在中橫梁上；邊跨加勁梁為閉口斷面，分別在中跨和邊跨的拱梁交匯處與拱肋固結(jié)。全橋兩邊跨端橫梁之間布置強(qiáng)大的水平拉索，以平衡中跨拱產(chǎn)生的水平推力。鋼箱拱肋間設(shè)置箱形“一”字橫撐，使其連成整體，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，并提供強(qiáng)大的側(cè)向抗彎剛度以抵抗橫橋向的風(fēng)荷載?？傮w布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

（1）主拱

拱肋采用工字形鋼箱斷面，拱軸線按二次拋物線變化，單片拱肋橫向?qū)挾?.0m，拱肋高度為跨中向支點(diǎn)漸變，漸變范圍為5.0～9.0m。拱肋鋼板厚度為：頂板板厚30mm、底板板厚30mm～35mm、腹板采用2道25mm厚鋼板；拱梁結(jié)合段位置適當(dāng)加厚；拱肋加勁采用T形加勁肋。

（2）邊拱

拱肋采用工字形鋼箱斷面，拱軸線按二次拋物線變化，單片拱肋橫向?qū)挾?.0m，拱肋高度為邊支點(diǎn)向中支點(diǎn)漸變，漸變范圍為4.0～7.0m。拱肋鋼板厚度為：頂板板厚70mm～75mm，底板板厚65mm，腹板采用2道60mm厚鋼板，系桿錨固處鋼板進(jìn)行局部加強(qiáng)，擴(kuò)散錨固集中力。為避免邊支點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)反力，邊拱中需灌注混凝土壓重。

（3）加勁梁

橋梁主梁梁高為2.8m，中跨系梁為開口鋼箱梁，即雙主梁（帶風(fēng)嘴鋼箱梁）+橫梁結(jié)構(gòu)體系，兩端通過滑動(dòng)支座支承在拱肋中橫梁上，縱梁頂?shù)装寮案拱寰捎?6mm厚鋼板，主縱梁之間設(shè)置橫梁，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距6m一道，與吊桿位置相對(duì)應(yīng)處均設(shè)置橫梁，橫梁采用工字型斷面，頂?shù)装迮c腹板均采用20mm厚鋼板，各片橫向加勁梁之間設(shè)置縱向小縱梁，以利于橫向加勁梁側(cè)向穩(wěn)定及支撐橋面汽車活載。邊跨加勁梁為閉口斷面，兩端與拱肋、中橫梁及端橫梁剛結(jié)。

（4）風(fēng)撐、立柱

中拱拱肋間設(shè)置7道風(fēng)撐，風(fēng)撐間距36m，風(fēng)撐采用箱型斷面，斷面尺寸為3x3m。

邊拱圈設(shè)置立柱以支持上部梁體，單片邊拱設(shè)置2個(gè)立柱，分別位于邊跨近跨中處和中支點(diǎn)處，立柱采用矩形斷面，尺寸為3x3m。

（5）吊桿

吊桿擬采用1670級(jí)預(yù)應(yīng)力平行鋼絲，吊桿錨具采用專用可調(diào)節(jié)可更換吊桿錨具，系桿錨具采用冷鑄鐓頭錨。上述材料技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，施工及運(yùn)營(yíng)階段安全有保障。吊桿間距采用12m，吊桿與拱肋在同一平面內(nèi)。系桿錨固于邊拱肋端部，布置在吊桿兩側(cè)，縱梁頂，方便檢查維護(hù)。

（6）基礎(chǔ)

根據(jù)寧波地質(zhì)為軟土地基的情況，本橋基礎(chǔ)采用基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，上接承臺(tái)的形式，承臺(tái)為工字形承臺(tái)，外形尺寸（43.5x25.5x6）m，保持與常洪隧道塢墩結(jié)構(gòu)凈距約3m，承臺(tái)不進(jìn)入現(xiàn)狀大堤堤頂（大堤局部坡腳位置在承臺(tái)施工完成后再恢復(fù)），基礎(chǔ)采用1.5m鉆孔灌注樁，單片拱肋下樁基礎(chǔ)按6排布置，每排4根。

邊跨墩柱采用雙柱式布置，橫向布置兩個(gè)矩形墩柱，間距29.5m?；A(chǔ)采用1.5m鉆孔灌注樁，3排布置，每排3根。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

為驗(yàn)證方案的可行性，采用MIDAS程序，建立全橋的空間桿系模型，對(duì)該橋的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，計(jì)算模型見圖2。

圖2 空間桿系模型

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，在成橋階段，鋼箱主拱拱肋截面上緣最大應(yīng)力78MPa，截面下緣最大應(yīng)力88MPa；鋼箱邊拱拱肋上緣、下緣最大應(yīng)力分別為176MPa、104MPa；主梁截面最大應(yīng)力152Mpa。各構(gòu)件最大應(yīng)力均滿足小于200MPa的要求。圖3、圖4為邊拱拱肋應(yīng)力圖。

分別驗(yàn)算了最大懸臂階段、合龍階段、施工橋面階段及拆架成橋階段的截面應(yīng)力，均滿足最大應(yīng)力小于200MPa要求，見圖5～圖8。

圖5 最大懸臂階段應(yīng)力圖

圖6 合龍階段應(yīng)力圖

圖7 施工橋面階段應(yīng)力圖

圖8 拆架成橋階段應(yīng)力圖

經(jīng)計(jì)算，拱肋最大活載位移為0.17m 小于L/1600=402/600=0.67m，剛度滿足要求。活載位移見圖9。

圖9 活載位移圖

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算

為保證方案可行，進(jìn)行了屈曲分析，結(jié)構(gòu)最小穩(wěn)定系數(shù)為17.3，大于普遍采用的穩(wěn)定系數(shù)5，表明結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生整體屈曲破壞，下面給出了四階屈曲模態(tài)圖形。

第一階屈曲模態(tài)

第二階屈曲模態(tài)

第三階屈曲模態(tài)

第四階屈曲模態(tài)

圖10 四階屈曲模態(tài)圖

4 施工方案的選擇

目前拱橋施工中常用的方法有纜索吊裝法、懸臂拼裝法、轉(zhuǎn)體施工法和支架施工法，后二種施工方案在本工程中很難實(shí)施，因而本橋的施工只能采用前二種方及其組合方法。

纜索吊裝法在國(guó)內(nèi)拱橋的施工中采用較為普遍，如四川萬縣長(zhǎng)江大橋（主跨420米）、武漢睛川大橋（主跨280米）、浙江省千島湖南浦大橋（280米）等。采用懸臂拼裝的項(xiàng)目有澳大利亞悉尼港大橋（主跨503米）、萬州長(zhǎng)江鐵路橋。

另外，機(jī)場(chǎng)要求限高60m為影響本工程施工方案的關(guān)鍵控制因素。由于纜索吊裝法的纜索、塔架、吊機(jī)等施工臨時(shí)設(shè)施在施工全過程均超限，因此主橋采用懸臂拼裝的施工工藝。

懸臂拼裝法是通過設(shè)置在主拱懸臂端的輕型拼裝吊機(jī)進(jìn)行主拱桿件拼裝，逐段拼裝外伸，直到主拱合攏的施工方法。

在保證嚴(yán)格切線拼裝的條件下，成橋的線形和內(nèi)力將為按一次落架計(jì)算所得的線形和內(nèi)力。為了拱肋的順利合龍，需要反復(fù)改變邊界條件和采取措施，施工過程存在多次體系轉(zhuǎn)換。

懸臂拼裝法施工方案主要有如下特點(diǎn)：

①、桿件均按設(shè)計(jì)體系溫度下的無應(yīng)力長(zhǎng)度在工廠制造，斜拉扣掛懸拼安裝，用高強(qiáng)螺栓連接。

②、施工期間可以通過調(diào)整支點(diǎn)位移實(shí)現(xiàn)桁拱和鋼系桿跨中無應(yīng)力合龍。即，不產(chǎn)生安裝殘余應(yīng)力。

③、對(duì)鋼材材質(zhì)、加工進(jìn)度、安裝線形要求較高，施工工藝復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

5 結(jié)語

本方案為大斷面中承式鋼箱坦拱橋，有別于常規(guī)拱橋，本方案中拱矢跨比較小，拱腳處產(chǎn)生較大的水平推力，兩邊跨端橫梁之間的設(shè)置水平拉索，用以平衡這部分水平推力。計(jì)算驗(yàn)證了該橋的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，本方案在高度受限地區(qū)適用，對(duì)其他工程有一定的借鑒意義。

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