站前大道下承式鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)

尤廣杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州 450001)

?

站前大道下承式鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)

尤廣杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州 450001)

鄭州市中牟縣站前大道橋采用單跨85 m、橋?qū)?4.8 m的下承式鋼管混凝土系桿拱，這種結(jié)構(gòu)是一種無(wú)推力的梁拱組合體系，在跨線控制工程上較多采用。介紹該橋方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算要點(diǎn)和主要計(jì)算成果，并介紹利用Midas有限元模型對(duì)吊桿的張拉順序和拱軸線進(jìn)行優(yōu)化的方法。計(jì)算分析顯示該橋設(shè)計(jì)合理，各設(shè)計(jì)值滿足規(guī)范要求。

公路橋；鋼管混凝土；系桿拱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算

1 工程概況

站前大道橋?yàn)榭缭较麓╇]海鐵路的中興路引道設(shè)計(jì)。站前大道與隴海鐵路基本平行，與中興路交叉處中興路引道寬48.4 m，右偏角113.7°?？紤]站前大道道路規(guī)劃、規(guī)劃紅線與鐵路的距離、橋下凈空要求、造價(jià)和景觀效果等因素，經(jīng)多方案比選，采用單幅一孔簡(jiǎn)支下承式鋼管混凝土系桿拱橋，橋梁正交布置。

考慮中興路引道寬度、道路斜交和中興路人行道側(cè)擋墻的位置與拱橋下部橋臺(tái)結(jié)構(gòu)互不影響等因素，橋梁計(jì)算跨徑(即支承中心距)取為85 m，兩橋臺(tái)端橫梁端部間距為89 m。橋梁位于R=1 500 m的平曲線段，按直線設(shè)計(jì)。拱橋設(shè)計(jì)寬44.8 m，橋面機(jī)動(dòng)車(chē)道寬22.8 m包括規(guī)劃的道路機(jī)動(dòng)車(chē)道寬22 m，非機(jī)動(dòng)車(chē)道寬4.5 m，人行道寬3 m。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 站前大道橋立面布置(單位：m)

圖2 站前大道橋橫斷面布置(單位：m)

2 橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：城市次干道，機(jī)動(dòng)車(chē)道為雙向六車(chē)道，行車(chē)速度為50 km/h。

(2)汽車(chē)荷載：城-A級(jí)；人群荷載：2.5 kN/m2[1]。

(3)橋面縱坡：橋面設(shè)2.48%的縱坡，凸形豎曲線半徑R=2 300 m，變坡點(diǎn)設(shè)于橋梁跨中。

(4)橋面橫坡：機(jī)動(dòng)車(chē)道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道設(shè)置雙向坡1.5%，人行道設(shè)置反向坡1.5%。

(5)地震動(dòng)峰值加速度0.1g，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度。

(6)施工方法：支架法“先梁后拱”施工?，F(xiàn)澆系桿和橫梁形成格構(gòu)體系后安裝拱肋，安裝吊桿張拉至1 506 kN，橋面系施工完成后吊桿張拉至2 696 kN。

3 橋梁主要材料

系桿、橫梁和橋面板采用C50混凝土，拱肋鋼管中灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土，拱肋鋼管(主弦管、腹桿、風(fēng)撐鋼管)、吊點(diǎn)處鋼箱采用的鋼板均為Q345qD材質(zhì)[2]。吊桿采用PES鍍鋅鋼絲拉索。

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁采用剛性系桿鋼管混凝土桁式拱結(jié)構(gòu)，橫向設(shè)置2片拱肋，橋面系對(duì)應(yīng)設(shè)置2道系桿，吊桿間距為5 m，對(duì)應(yīng)吊桿位置設(shè)置中橫梁，橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土π形板，二次現(xiàn)澆與中橫梁固結(jié)，端橫梁位置留寬度1 cm縫，橋面板與系桿不連接。由拱肋、系桿、橫梁和橋面系組成的整個(gè)上部結(jié)構(gòu)為一簡(jiǎn)支體系支承在兩端的橋臺(tái)上。

(1)拱肋和風(fēng)撐

拱肋截面的選取主要是由吊裝過(guò)程中拱肋的穩(wěn)定性和成橋后拱肋的承載能力所決定。本橋設(shè)置2片拱肋，拱肋采用鋼管混凝土空間桁式結(jié)構(gòu)，中心距為26.8 m。拱肋為3.0 m等高度矩形截面，外至外寬2.0 m，計(jì)算矢跨比為1∶4.25，拱肋中心至系桿中心的高度為20 m，拱軸線采用二次拋物線，設(shè)計(jì)拱軸線方程：y=-1/90.312 5x2+4/4.25x。為保證系桿拱橋的空間穩(wěn)定性，拱肋間設(shè)3道一字風(fēng)撐。主弦鋼管內(nèi)灌注微膨脹自密實(shí)補(bǔ)償收縮C50混凝土。拱肋4根主弦鋼管規(guī)格為D800 mm，其壁厚在距拱腳約1/3范圍內(nèi)為25 mm，距拱頂各6.5 m范圍內(nèi)為20 mm，其余均為16 mm。上、下平聯(lián)及腹桿為鋼管結(jié)構(gòu)，兩上弦鋼管間及兩下弦鋼管間的平聯(lián)桿采用D450×12 mm鋼管聯(lián)接，腹桿采用D350×10 mm的短鋼管聯(lián)接。

(2)系桿

剛性系桿采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)，一方面具有較大抗彎和抗扭剛度，另一方面系桿與橫梁組成格構(gòu)體系，橋面整體性好[3]。系桿為單箱單室箱形斷面，部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其尺寸(寬×高)為3.0 m×2.6 m，其頂?shù)装搴窬鶠?.3 m，腹板厚0.6 m，在對(duì)應(yīng)吊桿位置設(shè)置橫隔板。系桿在距拱腳8.8 m范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土實(shí)體截面。

(3)橫梁

橫梁采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，縱向與剛性系桿固接共同組成橋面系的空間格構(gòu)體系。中橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高度箱形截面，寬1.9 m，系桿位置3 m寬范圍高度1.9 m，中部高度2.079 m，端部高度1.3 m。端橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，寬4.0 m，系桿位置3 m寬范圍高度3.0 m，中部高度3.179 m，端部高度2.285 m；兩側(cè)腹板厚為0.8 m，頂?shù)装搴窬鶠?.4 m。

(4)吊桿

吊桿采用平行布置，順橋向間距為5 m，均為單排吊桿。吊桿采用熱擠鍍鋅高強(qiáng)鋼絲PES(C)7-187，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1670 MPa。錨具采用冷鑄錨，型號(hào)為PESM7-187。橋下為中興路引道，考慮吊桿下錨端的安全和梁底的美觀效果，吊桿下端采用固定端錨具錨固于橫梁內(nèi)，橫梁底采用鋼板封閉錨具，上端采用張拉端錨具錨固于拱肋頂。

(5)橋面板

橋面板全部采用預(yù)制鋼筋混凝土π形板，中跨跨度5 m，邊跨跨度5.49 m；中板預(yù)制寬度為0.9 m和0.95 m兩種，邊板預(yù)制寬度為1.1 m和0.95 m兩種。π形板采用部分預(yù)制，中跨預(yù)留50 cm后澆帶和中橫梁二次現(xiàn)澆固結(jié)，邊跨端和端橫梁留縫1 cm，橋面板之間預(yù)留30 cm濕接縫現(xiàn)澆連成整體橋面板。

(6)拱腳

拱腳的構(gòu)造設(shè)計(jì)在鋼管混凝土系桿拱橋總體設(shè)計(jì)前應(yīng)優(yōu)先考慮，這是因?yàn)樵诖_定了拱肋、系桿截面尺寸后，拱軸線方程及方程原點(diǎn)的確定受拱腳構(gòu)造的限制，且影響端橫梁的寬度設(shè)計(jì)。從梁拱組合體系的力學(xué)特點(diǎn)看，拱肋和系桿的連接特別重要。雖軸向力已由系桿預(yù)應(yīng)力平衡，但系桿在和拱肋的連接部位由于水平剪力的作用使系桿在垂直于拱腳拱肋軸線方向出現(xiàn)很大的主拉應(yīng)力[4]。對(duì)本橋拱腳部位進(jìn)行了局部應(yīng)力分析計(jì)算，并根據(jù)實(shí)體分析結(jié)果進(jìn)行了配筋設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 計(jì)算假定和計(jì)算參數(shù)選取

(1)假定鋼管與混凝土之間能共同受力，采用幾何位置相同的雙材料單元法進(jìn)行驗(yàn)算[5]；橋面板與橫梁通過(guò)濕接縫固結(jié)但橋面系剛度不參與計(jì)算[6]；考慮基礎(chǔ)及土的彈性抗力對(duì)系統(tǒng)的影響，按等剛度的原則，將樁基礎(chǔ)用一比擬桿件和水平彈簧來(lái)模擬處理[7]。

(2)拱肋、系桿和橫梁等結(jié)構(gòu)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，人行道、防撞墻和欄桿、橋面板和鋪裝等荷載按外加荷載加載。

(3)活載：車(chē)道荷載按偏置和居中2種工況分別布置；非機(jī)動(dòng)車(chē)道按1車(chē)道計(jì)算；人群荷載取2.5 kN/m2。

(4)收縮徐變：按照《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ D26—2004)規(guī)定公式計(jì)算[8]。

(5)溫度荷載：整體降溫按-30 ℃計(jì)，整體升溫按30 ℃計(jì)。系桿和橫梁的梯度溫度按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)定采用[9]。

(6)風(fēng)荷載：按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)定計(jì)算。100 年一遇風(fēng)速取28.7 m/s[9]。

5.2 計(jì)算模型

采用Midas Civil 2015進(jìn)行橋梁空間分析。將結(jié)構(gòu)離散為空間桿系模型，按結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸和施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算分析。整體計(jì)算分別進(jìn)行了施工狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)計(jì)算，計(jì)算中主要考慮了以下設(shè)計(jì)荷載：結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、吊桿力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降、活載、風(fēng)力、溫度力。吊桿采用桁架單元模擬，系梁、橫梁及拱肋等用梁?jiǎn)卧M。有限元模型共有梁?jiǎn)卧? 188個(gè)，桁架單元30個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 806個(gè)。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 Midas空間計(jì)算模型

5.3 主要計(jì)算成果

(1)拱肋承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

本橋采用桁式拱肋的鋼管混凝土弦管，計(jì)算單肢一個(gè)節(jié)間的長(zhǎng)細(xì)比λ1=12.5>10，需要對(duì)拱肋承載力進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，包括各組成構(gòu)件和拱肋整體[10]。

①最不利效應(yīng)組合下，考慮穩(wěn)定系數(shù)φ、偏心率折減系數(shù)φe和初應(yīng)力度影響系數(shù)κp對(duì)各控制截面進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表1，限于篇幅表中未給出φ和κp。

表1 各鋼管構(gòu)件承載力驗(yàn)算

②拱肋整體穩(wěn)定計(jì)算

拱的穩(wěn)定問(wèn)題分為面內(nèi)失穩(wěn)和面外失穩(wěn)。面內(nèi)失穩(wěn)以極值點(diǎn)失穩(wěn)為主，將其等效為鋼管混凝土梁柱進(jìn)行整體穩(wěn)定承載力計(jì)算。安全系數(shù)=ND2/γ0Ns=4.6。面外失穩(wěn)接近于分支點(diǎn)失穩(wěn)，采用Midas Civil進(jìn)行有限元空間穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。拱的整體穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范中大于4的規(guī)定[10-11]。

表2 鋼管拱整體穩(wěn)定驗(yàn)算

(2)自振特性計(jì)算

自振特性根據(jù)空間模型分析，考慮二期恒載的影響。計(jì)算結(jié)果表明：橋梁的基頻為0.95 Hz，為拱肋的面外振動(dòng)。

(3)吊桿計(jì)算

各荷載工況下，橫向一組吊桿最大拉應(yīng)力505 MPa，安全系數(shù)K=3.6[11]。

(4)系桿和橫梁計(jì)算

系桿在Midas空間整體結(jié)構(gòu)模型中根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行配束設(shè)計(jì)。橫梁為3跨帶懸臂連續(xù)梁，根據(jù)“杠桿法”計(jì)算確定汽車(chē)活載和人群活載豎向力，中橫梁按同時(shí)滿足最小彈性支承的剛度與剛性支撐連續(xù)梁的內(nèi)力包絡(luò)圖設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力束，端橫梁按剛性支撐連續(xù)梁考慮[12]。

6 優(yōu)化吊桿張拉順序

吊桿的張拉在拱橋施工中較為關(guān)鍵，需要選擇最優(yōu)的張拉順序減少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。吊桿從兩邊最短至中間最長(zhǎng)依次編號(hào)為1號(hào)～8號(hào)，針對(duì)本橋吊桿的張拉順序，設(shè)計(jì)進(jìn)行了6種工況的比選：①?gòu)闹虚g8號(hào)向兩邊依次對(duì)稱張拉至1號(hào)；②從中間向兩邊依次對(duì)稱張拉，但間隔跳張，順序?yàn)橄葟埨?、6、4號(hào)和2號(hào)，再?gòu)埨?、5、3號(hào)和1號(hào)；③從兩側(cè)和中間向1/4截面處依次對(duì)稱張拉，順序?yàn)?、8、2、7、3、6、4號(hào)和5號(hào)，④～⑥三種工況分別為前三種工況張拉的逆順序。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各張拉順序?qū)袄咪摴軕?yīng)力影響較小，鋼管最大應(yīng)力均不超過(guò)160 MPa，但拱肋混凝土最小應(yīng)力差距較大。各張拉順序下拱肋混凝土的最小應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3(表中未列出最不利工況①和④，負(fù)值表示壓應(yīng)力)。設(shè)計(jì)選擇第②種張拉方案。

表3 各張拉工況下拱肋混凝土最小應(yīng)力 MPa

7 拱軸線確定和優(yōu)化

矢跨比是拱的重要參數(shù)。矢跨比小，拱所受軸力大，拱以受軸力為主的優(yōu)勢(shì)也更明顯[5]?？紤]拱橋的美觀、施工難度和相關(guān)計(jì)算，本橋矢跨比為1/4.25。采用最小彎矩法，通過(guò)有限元迭代和曲線擬合的方法確定合理的拱軸線。具體是采用二次拋物線擬定拱軸線方程，通過(guò)有限元計(jì)算得到此拱肋恒載作用下的彎矩和軸力，根據(jù)拱肋的軸力偏心距，將原拱肋坐標(biāo)按偏心距進(jìn)行調(diào)整，更新坐標(biāo)后重新計(jì)算得到新的偏心距。設(shè)置收斂誤差，迭代計(jì)算幾次后便可得到與恒載壓力線較為接近的合理拱軸線，再通過(guò)曲線擬合得到最終的設(shè)計(jì)拱軸線方程。本橋采用的拋物線方程為y=-1/90.312 5x2+4/4.25x，恒載作用下最大彎矩位于拱頂，Mmax=426 kN·m，相應(yīng)軸力N=4 153 kN，見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化確定拱軸線后恒載最大彎矩(單位：kN·m)

8 結(jié)語(yǔ)

本橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋，該種結(jié)構(gòu)橋面寬、跨度大且建筑高度低，橋下凈空利用率高，能夠充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)，且外部為靜定結(jié)構(gòu)，地基和溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響小，適用于在平原地區(qū)和跨線工程上推廣和應(yīng)用。本橋結(jié)合橋位鄰近鐵路等現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇“先梁后拱”這種較成熟的施工方法，施工快速且安全可靠。本文通過(guò)對(duì)站前大道橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、優(yōu)化吊桿張拉順序和拱軸線方法的介紹，為今后此種結(jié)構(gòu)體系拱橋的設(shè)計(jì)積累了有益的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ 11—2011城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，等.GB/T 714—2008橋梁用結(jié)構(gòu)鋼[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 吳克聰.洛南高速公路跨焦枝鐵路及南水北調(diào)總干渠大橋設(shè)計(jì)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(5):35-37.

[4] 尹春燕.82.5 m下承式鋼管混凝土提籃拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(1):61-65.

[5] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京:人民交通出版社，2007.

[6] 杜士杰，宋宏祥.龍屯路立交鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋主橋設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(9):53-56.

[7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[9] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[10]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50923—2013鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[11]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2014.

[12]馬有強(qiáng)，劉淑麗.上海軌道交通6號(hào)線趙家溝大橋主橋設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(11):97-99.

Design of Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge for Station Avenue

YOU Guang-jie

(Zhengzhou Design Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China)

the station avenue bridge located in Zhongmu county of Zhengzhou city is designed with 85m-span and 44.8 m-width concrete filled steel tubular tied arch. Such structure is a non-thrust beam-arch combination system， which is widely used in the control project of cross-line engineering. This paper briefly introduces the bridge design， main points of structural finite element calculation and major calculation results， and presents the method of using Midas finite element model to optimize the tension sequence of sling and arch axis. The calculation and analysis show that the design of the bridge is reasonable and the design values meet the requirements of the specification．

Highway bridge; Concrete filled steel tube; Tied arch; Structure design; Calculation

2016-05-07；

2016-05-25

尤廣杰(1982—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2016)12-0061-04

U448.22

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.014