下承式連續(xù)拱梁組合體系異型拱橋設(shè)計

宋書軍

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200437）

1 概述

下徐溪橋位于寧東新城騰飛橋及連接線工程上，騰飛路是“二橫三縱”城市主干路網(wǎng)的“中縱”，為城市主干路，規(guī)劃紅線寬度40m。大橋是連接寧東新城核心區(qū)的重要通道節(jié)點，交通和景觀功能均很大。橋梁總體效果如圖1所示。

圖1 橋梁鳥瞰圖

擬建場地的下徐溪由西北往東南匯于毛嶼江（閘門控制），并排向三門灣。該河水位升降主要受西北向的西林水庫泄洪水和毛嶼江排水有關(guān)，因毛嶼江大閘修建而變?yōu)槠皆秃恿?。橋位附近現(xiàn)狀大部分為農(nóng)地、果樹和空地，道路沿線地勢總體較平坦，兩側(cè)為自然人工土壩護坡，現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。地貌類型屬于濱海與內(nèi)陸相交替沉積平原，在勘察深度范圍內(nèi)，地層有填土、黏土、圓礫、中風化巖等組成，樁基以第10-2層（中等風化熔結(jié)凝灰?guī)r）作為樁端持力層。

下徐溪橋為下承式連續(xù)拱梁組合體系異型拱橋，跨徑布置為25m+80m+25m=130m，橫斷面寬40.5m，橋面設(shè)機動車道、人非混行車道，全橋上部結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)。該橋設(shè)計特點是拱肋立面為三角形造型，在拱軸線平面內(nèi)，拱軸線由兩段直線段和一段圓弧構(gòu)成，拱肋總體橫向內(nèi)傾13.616°。跨中橫斷面布置如圖2所示。

圖2 跨中橫斷面布置圖（單位：mm）

2 主要技術(shù)指標

（1）道路等級：城市主干路。

（2）橋面坡度：主橋最大縱坡3.0%，車行道采用雙向2.0%橫坡，兩側(cè)人行道采用1.0%反坡。

（3）荷載標準：汽車荷載取城-A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11—2011）取值。

（4）抗震設(shè)防標準：抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，橋梁抗震設(shè)防類別為丙類。

（5）通航標準：無通航要求；梁底標高按照與業(yè)主確認的標準控制。

（6）設(shè)計安全等級：一級。橋梁設(shè)計使用年限：100 a。

（7）橫斷面布置：5.75 m（人非混行道）+3.5 m（吊索區(qū)）+10.75m（機動車道）+0.5m（中央分隔欄）+10.75m（機動車道）+3.5m（吊索區(qū)）+5.75 m（人非混行道）=40.5m。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)總體布置

下徐溪橋為下承式拱梁組合體系異型拱橋，橋面系為三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用縱橫梁體系。拱肋立面為三角形造型，由兩榀拱肋組成，兩片拱肋之間于頂部設(shè)置橫向連系，設(shè)置鋼箱橫撐，保證拱肋橫向穩(wěn)定。吊索全橋縱向共設(shè)8對，梁上間距7.5m，吊索與拱肋在同一平面內(nèi)。吊索全部錨固于拱肋頂板的整體節(jié)點板上，力通過拱肋、拱梁結(jié)合段傳遞給橋墩，再擴散到基礎(chǔ)中。此類空間三角形拱肋受力復雜，設(shè)計難度大，國內(nèi)此類橋梁實例尚較少。

3.2 拱肋、橫撐

拱肋為鋼結(jié)構(gòu)拱肋，由兩榀拱肋組成。拱肋立面為三角形造型，在拱軸線平面內(nèi)，拱軸線由兩段直線段和一段圓弧構(gòu)成：兩直線段長度為55.399m，圓弧半徑為5m，弧長8.583m。拱肋理論跨徑80m，拱肋理論高度為45m（拱軸線兩直線段的虛擬交點到拱腳連線之間的豎向距離），橫向內(nèi)傾13.616°。

鋼箱拱肋采用全焊鋼箱形截面，截面呈六邊形布置。拱肋頂部圓弧段為等截面，截面寬2.2m，高2.2 m，頂?shù)装寮案拱搴窬鶠?0 mm，橫斷面如圖3所示。拱肋直線段截面高度逐漸增大，截面寬2.2m，截面高度由頂部的2.2m漸變至底部的4.5m；在拱梁結(jié)合段拱肋頂?shù)装寮案拱搴窬捎?0mm，其余標準節(jié)段頂?shù)装寮案拱搴癫捎?5mm。拱肋縱向加勁肋采用一字肋，拱肋中設(shè)置橫隔板，橫隔板與拱軸線垂直，在直線段拱肋橫隔板厚16mm，在頂部拱肋段橫隔板厚20mm、25mm。拱肋頂部吊索錨固整體節(jié)點板板厚50mm，與拱肋頂?shù)装搴附?，并在耳板上設(shè)置縱橫向加勁肋。拱頂?shù)跛骷绣^固區(qū)構(gòu)造如圖4所示。

圖3 弧線段拱肋斷面（單位：mm）

圖4 吊索集中錨固區(qū)構(gòu)造（單位：mm）

兩片拱肋之間于頂部設(shè)置橫向連系，設(shè)置鋼箱橫撐，共4個箱室。每個箱室之間設(shè)置兩道橫隔板，箱室外側(cè)尾部結(jié)構(gòu)用頂?shù)装寮氨诎遄鰳?gòu)造封閉，形成景觀效果，同時增強橫撐的整體受力，保證拱肋橫向穩(wěn)定。

3.3 鋼主梁

主梁加勁梁采用開口式鋼箱梁，即雙邊箱式系梁＋橫梁結(jié)構(gòu)體系，橫斷面布置如圖5所示。加勁梁頂板總寬40.5 m，設(shè)2%雙向橫坡，每側(cè)系梁寬4.8m，凈距22m。在主跨吊索及邊跨范圍內(nèi)設(shè)計道路中心線處主梁梁高為2.0m，在橋墩處8.5m范圍內(nèi)設(shè)計道路中心線處主梁梁高為2.5m。系梁頂板厚20mm，底板、腹板厚16mm，其中在拱梁結(jié)合段系梁頂板局部加厚至40mm，底板局部加厚至30mm。橋面板頂板厚16mm，車行道處橋面板采用U形加勁肋，高280mm，鋼板厚8mm。其余部位的橋面板以及系梁腹板、底板均采用板肋加勁肋，高150mm，厚12mm。在車行道范圍內(nèi)設(shè)置小縱梁，橫向間距為5.4m，為倒T形截面。

圖5 鋼主梁橫斷面（單位：mm）

3.4 橫梁

內(nèi)橫梁為焊接的倒T形板，間距為2.5m，全橋橋面系共設(shè)置39道。內(nèi)橫梁為變高度結(jié)構(gòu)，在道路設(shè)計中心線處高2.0m，底面水平，頂面與橋面的2%雙向橫坡保持一致。

中墩橫梁采用箱形截面，截面尺寸8.5m（寬）×2.5m（高），頂?shù)装搴?6～20mm。橫梁內(nèi)部設(shè)三道腹板，腹板設(shè)置縱、橫向加勁及橫隔板。

邊跨端橫梁采用箱形截面，截面尺寸1.9 m（寬）×2.0m（高）。橫梁內(nèi)部設(shè)置縱向加勁及橫隔板。

3.5 吊索

吊索全橋縱向共設(shè)8對，梁上間距7.5m，吊索與拱肋在同一平面內(nèi)。吊索均采用規(guī)格為73?7的平行鋼絲索；吊索兩端采用冷鑄錨，張拉端設(shè)在主梁鋼箱內(nèi)。

3.6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主墩采用柱式墩，下接承臺樁基，橋墩單個立柱斷面尺寸為5.5m（橫橋向）×3m（順橋向），單個承臺尺寸為11m（橫橋向）×7m（順橋向），承臺高3m，每個承臺基礎(chǔ)采用6根直徑1.5m鉆孔灌注樁，樁基為嵌巖樁。

橋臺采用扶壁式橋臺，下接承臺樁基。承臺全長40.5m，中間設(shè)2 cm沉降縫，寬5.4m，高1.5m?；A(chǔ)采用直徑1.2m鉆孔灌注樁，樁基為嵌巖樁。

4 施工方法

圍堰施工鉆孔灌注樁、承臺及墩臺。梁拱采用少支架施工，先進行梁的安裝，后在梁上搭設(shè)拱肋支架，進行拱肋安裝施工。鋼主梁和鋼拱肋均在工廠按劃分好的節(jié)段加工，后運至現(xiàn)場進行拼裝。拱肋體系穩(wěn)定后拆除拱肋支架，進行吊索安裝及張拉，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化完成后方可拆除主梁支架。

5 結(jié)構(gòu)分析計算

5.1 靜力分析

采用m id a s軟件建立空間梁格模型，其中吊桿（拉索）用桁架單元模擬，其他構(gòu)件用梁單元模擬，進行施工階段、成橋及使用階段分析。計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型

計算時全橋上部結(jié)構(gòu)施工模擬按少支架施工、先梁后拱的安裝工序。設(shè)計荷載計入結(jié)構(gòu)自重、附屬荷載、汽車荷載、人群荷載、整體升降溫、風荷載、制動力等作用。

分析可知，鋼主梁的最大正應力為126 MPa，鋼拱肋最大正應力為112MPa，各構(gòu)件的應力結(jié)果均滿足公路鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

鋼主梁在汽車活載作用下的豎向撓度最大值位于主跨跨中，為19mm＜L/500=160mm（L為主跨跨徑），結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求[3]。

5.2 穩(wěn)定分析

穩(wěn)定模型采用空間梁、桁架單元分別模擬結(jié)構(gòu)各組成部分，橋面板以荷載的形式計入，未考慮其有利作用?？紤]自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載及風荷載等的作用，均視為變量，進行第一類線彈性穩(wěn)定分析。結(jié)構(gòu)的曲屈系數(shù)及曲屈模態(tài)見表1，最小的屈曲系數(shù)為22.86，呈拱肋平面外失穩(wěn)，表明結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能較好，滿足規(guī)范要求（見圖 7）。

表1 結(jié)構(gòu)曲屈系數(shù)及曲屈模態(tài)

圖7 主橋曲屈分析第一階模態(tài)

5.3 局部分析

主橋整體結(jié)構(gòu)分析中，一般采取的是三維空間梁單元或簡單的板單元進行分析，而對一些局部構(gòu)件或關(guān)鍵構(gòu)造節(jié)點無法采用梁進行準確的模擬，這些地方成為設(shè)計中的“盲區(qū)”。為了進行合理的構(gòu)造設(shè)計、正確判定構(gòu)造設(shè)計的安全性，選擇構(gòu)造及受力復雜的局部關(guān)鍵節(jié)點區(qū)域建立細微的有限元模型，進行詳細的受力分析，了解其內(nèi)力及應力分布。該橋關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造有三個方面，即拱梁結(jié)合處、吊索在拱上的錨固區(qū)域和吊索在主梁的錨固節(jié)點。對該三處采用大型通用有限元軟件ANSYS進行仿真分析，三處的計算模型如圖8所示。

圖8 仿真分析模型

經(jīng)計算分析得，局部構(gòu)件出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，但總體應力水平不是很高，均能夠滿足受力要求。

6 結(jié)語

下徐溪橋在保證交通功能的前提下，又極具景觀特色，三角形拱橋的景觀效果突出且新穎，讓人眼前一亮，跳出了弧線形拱橋的審美疲勞。鑒于此類橋梁受力復雜、設(shè)計難度大，國內(nèi)此類橋梁實例尚較少。通過巧妙構(gòu)思集中節(jié)點板錨固解決上部錨固空間不足的問題，拱梁結(jié)合段合理構(gòu)造優(yōu)化了傳力路徑，主梁錨固處在吊索復雜空間關(guān)系情況下優(yōu)化錨固傳力構(gòu)造。整體設(shè)計中優(yōu)化了傳力路徑、簡化施工圖難度，同時也為此類橋梁提供了有益參考。

合理構(gòu)造設(shè)計實現(xiàn)了此類橋梁由效果圖轉(zhuǎn)化為施工圖紙，該橋的建成必將成為寧東新城的視野聚焦點。