畢升路簡(jiǎn)支系桿拱橋總體設(shè)計(jì)研究

宋陽(yáng)運(yùn)

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市201204）

1 概 述

畢升路跨川楊河橋位于上海市浦東新區(qū)張江國(guó)家實(shí)驗(yàn)室單元，是張江科學(xué)城的核心科創(chuàng)功能片區(qū)，橋位東側(cè)為正在建設(shè)中的硬X射線項(xiàng)目。

由于硬X射線為高敏感設(shè)施，為避免該項(xiàng)目投入使用后周邊道路建設(shè)對(duì)其產(chǎn)生不良影響，要求新區(qū)同步配套建設(shè)一批市政項(xiàng)目。在此大背景下，本文項(xiàng)目建設(shè)被提上日程并展開相應(yīng)工作。

主跨橋梁設(shè)計(jì)采用計(jì)算跨徑81m、全長(zhǎng)85m下承式簡(jiǎn)支系桿鋼箱拱橋，失高為16.2m，矢跨比1/5，拱軸線采用二次拋物線，拱肋截面高從拱頂1.5m漸變到拱腳2.5m；橋面總寬為24.0m，吊桿間距6.0m，全橋共設(shè)置11對(duì)吊桿；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩樁基礎(chǔ)，引橋與主橋連接采用鋼牛腿結(jié)構(gòu)（見圖1）。橋梁總體效果如圖2所示。

圖1 系桿拱橋立面布置圖（單位：cm）

主跨橋梁為跨越川楊河而設(shè)；川楊河為Ⅴ級(jí)通航航道，道路中心線法向與河道中心線順交14.7°。南、北引橋采用上海市通用剛接空心板梁結(jié)構(gòu)，北引橋因受下穿輔道條件所限，孔跨布置采用2×18m+2×20m，南引橋孔跨布置采用2×22m，下部結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖2 橋梁總體效果圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市支路。

（2）設(shè)計(jì)荷載：城-B級(jí)，人群荷載3.3 kN/m2。

（3）主橋標(biāo)準(zhǔn)斷面：3.0m（人行道含欄桿）+2.0m（拱肋區(qū)含欄桿）+14.0m（車行道）+2.0m（拱肋區(qū)含欄桿）+3.0m（人行道含欄桿）=24.0m（橋面總寬）。

（4）抗震設(shè)防烈度：根據(jù)上海地區(qū)地震基本烈度分布圖，該工程屬地震基本烈度7度地區(qū)，該工程橋梁結(jié)構(gòu)按烈度7度設(shè)防；建設(shè)場(chǎng)地為Ⅳ類，橋梁結(jié)構(gòu)地震動(dòng)峰值加速度0.12g，抗震設(shè)防類別為丁類。

（5）設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：33.8m/s（1/100）。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

3.1.1 拱肋結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于下承式簡(jiǎn)支梁拱組合橋梁，目前在城市橋梁中較多采用的拱肋結(jié)構(gòu)有鋼管混凝土和鋼箱結(jié)構(gòu)。一般較常規(guī)使用的拱肋結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。中等跨徑鋼管拱肋可整體吊裝架設(shè)，安裝就位后從拱腳向拱頂泵送混凝土完成拱肋施工。由于拱肋輕、剛度大，灌注混凝土?xí)r由鋼管兼作模板，大大方便了施工。但鋼管混凝土拱肋容易因施工不當(dāng)造成鋼管內(nèi)混凝土灌注不密實(shí)，以及混凝土收縮引起鋼管和混凝土之間出現(xiàn)裂縫，施工質(zhì)量較難保障；且從歷年來一些已建鋼管混凝土拱肋橋梁病害調(diào)查情況來看，出現(xiàn)主要的病害是鋼拱內(nèi)混凝土脫離。

圖3 拱肋截面形式

拱肋作為鋼結(jié)構(gòu)壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，受力明確，設(shè)計(jì)計(jì)算思路清晰，且鋼箱拱肋可工廠制作，質(zhì)量有保障，因此該項(xiàng)目推薦采用鋼箱拱肋。

3.1.2 拱肋穩(wěn)定性

拱肋不同的布置形式對(duì)主橋的整體屈曲穩(wěn)定有不同的影響，下面通過分析拱肋不同傾角對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定的影響關(guān)系，得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。拱肋傾角與結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系見表1，如圖4所示。

表1 拱肋傾角與結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

圖4 拱肋傾角與結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定系數(shù)

通過以上分析可知，在一定范圍內(nèi)拱肋內(nèi)傾角與屈曲穩(wěn)定系數(shù)成正比關(guān)系，結(jié)合實(shí)際情況，該工程選取拱肋內(nèi)傾角13°進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 加勁梁

加勁梁采用雙邊箱鋼混凝土組合梁形式，鋼梁采用Q345qd鋼材，標(biāo)準(zhǔn)梁高1.91m（含橋面板），支座處梁高加高到2.5m（含橋面板）?；炷翗蛎姘搴?.22m。梁寬24m，系梁側(cè)懸挑3.0m，橫隔板間距3m，如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

3.2.2 拱肋

拱肋矢跨比1/5，拱肋中心軸線采用二次拋物線，內(nèi)傾13°，鉛直投影面內(nèi)矢高為16.2m；拱肋采用箱形截面，截面高度從拱頂1.5m漸變到拱腳2.5m；拱肋吊桿處設(shè)置豎直橫隔板，吊桿間距6m，豎直橫隔板間設(shè)置兩道垂直于拱肋中心線的橫隔板。

3.2.3 吊桿

吊桿采用鍍鋅鋁高強(qiáng)平行鋼絲索，型號(hào)為PES（C）7-1770-61-ZnAl，吊桿間距為6.0m，為單吊桿布置，全橋共22根，錨具為PESM-4150。吊桿兩端錨固均采用冷鑄錨接耳叉銷軸錨固形式，梁端設(shè)張拉端，采用單螺桿調(diào)節(jié)，銷軸設(shè)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)順橋向變位，拱肋端為固定端。吊桿安全系數(shù)均大于3.0。

3.2.4 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋橋墩采用2.5m×2.5m柱式墩，橫橋向?yàn)閮蓚€(gè)立柱?；A(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，混凝土采用C30水下混凝土，樁基采用直徑1.0m鉆孔樁，每個(gè)墩19根，樁長(zhǎng)50m。樁端持力層為地質(zhì)報(bào)告建議的第7-2b層粉砂層，承臺(tái)厚3.0 m，為啞鈴形，承臺(tái)底設(shè)10 cm厚素混凝土墊層，標(biāo)號(hào)C25。

3.2.5 引橋下部結(jié)構(gòu)

引橋橋墩采用獨(dú)柱墩蓋梁，蓋梁順橋向?qū)挾?.0m，橫橋向?qū)挾?.5m，根部梁高1.8m；橋墩蓋梁頂及橋臺(tái)臺(tái)帽設(shè)雙向2.0%橫坡。橋墩、橋臺(tái)基礎(chǔ)采用直徑0.8m鉆孔樁，樁長(zhǎng)45m，橋墩承臺(tái)厚2.0m，橋臺(tái)承臺(tái)厚1.5m。

3.2.6 支座支撐體系

主橋主梁每個(gè)橋墩橫橋向采用兩個(gè)抗震球鋼支座JQZ（Ⅱ）-9.0；引橋剛接空心板梁采用GYZ250×52mm板式橡膠支座。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 靜力計(jì)算

靜力計(jì)算采用midas Civil橋梁結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件計(jì)算，建立模型如圖6所示。

圖6 主橋靜力計(jì)算模型

計(jì)算荷載如下：

（1）結(jié)構(gòu)自重：鋼材78.5 kN/m3；混凝土26 kN/m3。

（2）二期荷載：鋪裝，防撞護(hù)欄、扶手欄桿等其他附屬結(jié)構(gòu)。

（3）人群荷載：按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11—2011）計(jì)算取值，3.3 kN/m2。

（4）汽車活載：城-B級(jí)。

（5）溫度荷載：整體升、降溫度，鋼梁截面梯度溫度按BS5400取用，拱肋截面梯度升、降溫。

（6）風(fēng)載：按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD60-01—2004）取用，分別考慮橫向及縱向風(fēng)荷載。

靜力計(jì)算主要從以下幾個(gè)方面驗(yàn)算各構(gòu)件受力情況：運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力（基本組合），考慮局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定折減系數(shù)；吊桿力；主橋剛度；斷索工況結(jié)構(gòu)受力；結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算；主橋穩(wěn)定計(jì)算等。

4.2 動(dòng)力計(jì)算

該工程道路等級(jí)為城市支路，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011），采用丁類橋梁進(jìn)行設(shè)防，抗震設(shè)計(jì)方法選用B類。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度系數(shù)為0.1g，該場(chǎng)地類別為Ⅳ類。按照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）規(guī)定，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度調(diào)整系數(shù)為1.2，地震設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.75 s。橋梁抗震設(shè)防類別為丁類，E1地震調(diào)整系數(shù)Ci=0.35。

計(jì)算采用midas Civil建立全橋的抗震分析計(jì)算模型。模型中建立承臺(tái)單元，并在各樁基位置設(shè)置了節(jié)點(diǎn)，樁基采用具有6個(gè)自由度的彈簧對(duì)其進(jìn)行模擬，剛度系數(shù)由“m”法確定。按實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬，計(jì)算模型如圖7所示，E1反應(yīng)譜如圖8所示。

動(dòng)力計(jì)算主要從以下幾個(gè)方面驗(yàn)算各構(gòu)件受力情況：結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析；地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)；結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算；地震支座驗(yàn)算；抗震體系驗(yàn)算結(jié)論及設(shè)計(jì)建議等。

圖7 動(dòng)力計(jì)算模型

圖8 E1 地震水平加速度反應(yīng)譜

橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問題的基礎(chǔ)，為了計(jì)算在不同設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，必須首先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析。

橋梁二期恒載、自重均轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量施加于上部結(jié)構(gòu)主梁相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。特征值分析采用RITZ方法，取計(jì)算前200階振型（見表2）。

表2 主跨橋梁成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

4.3 結(jié)果分析

（1）靜力計(jì)算結(jié)果。構(gòu)件應(yīng)力最大處為拱頂壓應(yīng)力，考慮折減系數(shù)后，最大壓應(yīng)力為190 MPa，滿足極限承載力強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（2）該結(jié)構(gòu)加勁梁受力體系為橫梁受力體系，結(jié)構(gòu)高度由橫梁受力計(jì)算確定。

（3）橋址處為抗震不利地段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮采用質(zhì)量較小結(jié)構(gòu)，以減小下部結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)。經(jīng)動(dòng)力計(jì)算分析并對(duì)比靜力計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)采用由自身抵抗E1地震作用下受力響應(yīng)即可。

（4）在橋墩處設(shè)計(jì)縱橫向抗震擋塊，從橋梁抗震構(gòu)造措施上滿足基本烈度的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）該工程上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)，質(zhì)量較小，減小了下部結(jié)構(gòu)地震受力響應(yīng)。

（2）拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，受力明確，結(jié)構(gòu)輕盈；且拱肋選擇合適的內(nèi)傾角，增加了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）因系梁結(jié)構(gòu)高度較小，吊桿錨固采用冷鑄錨接耳叉銷軸錨固形式，采用單螺桿調(diào)節(jié)，銷軸設(shè)自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)順橋向變位，該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是該橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一。

（4）該工程建設(shè)場(chǎng)地較為復(fù)雜，涉及高壓線保護(hù)區(qū)、硬X射線保護(hù)區(qū)、跨越重要航道、橋梁結(jié)構(gòu)離道路平交口很近及建設(shè)場(chǎng)地為抗震不利地段等，推薦設(shè)計(jì)橋型方案是通過多方案設(shè)計(jì)比選后確定，可為有類似建設(shè)條件項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)方案思路。