鋼箱拱肋提籃拱橋設(shè)計(jì)分析

殷 濤， 丁 楠

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

本橋坐落于安徽省渦陽縣東部，是渦陽縣城東北部跨越渦河的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。大橋的建設(shè)對(duì)完善渦陽東部城區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑未來渦陽快速外環(huán)體系具有重要意義。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3，4]

(1)道路等級(jí)：一級(jí)公路(兼城市道路功能)。

(2)設(shè)計(jì)速度：60 km/h。

(3)汽車荷載等級(jí)：公路-I級(jí)，人群荷載按規(guī)范取3.0 kN/m2。

(4)航道等級(jí)：規(guī)劃Ⅳ級(jí)，通航凈空為90 m×8 m。最高通航水位(10年一遇)為29.85 m。

(5)橋面寬度：行車道單側(cè)寬13 m，吊桿區(qū)單側(cè)寬度2.5 m，單側(cè)人非混合道寬4.5 m(含護(hù)欄)。全寬40.0 m。

(6)橋面橫坡：雙向2%。

(7)橋面縱坡：+2.50%(小樁號(hào))、-2.483%(大樁號(hào))，主橋跨中處豎曲線半徑R=5 300 m。

2 橋梁方案及構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 橋梁的總體方案[5]

為了減少引橋規(guī)模，同時(shí)方便兩岸行人通過，橋梁建筑高度宜較低，同時(shí)兼顧市區(qū)內(nèi)景觀要求，經(jīng)綜合比選后選用下承式系桿拱橋，如圖1所示。該橋渦河大橋主橋全長153.9 m，為下承式鋼箱提籃式系桿拱橋，如圖2所示。主拱肋采用雙片鋼箱拱，主跨采用正交異性鋼橋面板，吊桿采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索.全橋從橋面上看兩拱肋均向內(nèi)傾斜12°，風(fēng)撐為掏橢圓孔的異形箱梁，橋梁整體結(jié)構(gòu)新穎簡潔，空間開闊、通透，車輛在橋面行駛時(shí)能感覺到視覺沖擊和時(shí)代氣息，體現(xiàn)現(xiàn)代橋梁建筑藝術(shù)與古人思想的融合之美。

圖1 橋梁效果圖

圖2 總體布置圖

2.2 拱肋設(shè)計(jì)

拱肋為等截面鋼箱結(jié)構(gòu)，截面高度為2.35 m，橫向?qū)挾葹?.85 m。拱肋腹板厚度為30 mm，頂?shù)装搴穸葹?0 mm。

拱肋中心線為二次拋物線形，理論拱軸線腳點(diǎn)位于主縱梁截面中心線上，縱向間距為150 m，在拱軸面內(nèi)拱肋中心線矢高為30 m，矢跨比為1∶5。

橫橋向拱肋中心線間距從拱腳中心點(diǎn)處29.6 m至跨中位置為17.126 m。雙片拱肋間通過4個(gè)大小不同的橢圓孔的異形箱梁風(fēng)撐進(jìn)行連接，以保證拱肋的橫向穩(wěn)定性。

2.3 橋面板設(shè)計(jì)

橋梁主跨行車道橋面系采用U形正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式，橋面板厚度為18 mm。橋面板由4根倒T型小縱梁進(jìn)行支撐，間距為5.1 m。外挑的人非混合橋面系頂板厚度為12 mm，采用Ⅰ型加勁肋。

橋面系橫梁采用整板式的橫隔板，分普通橫梁及吊桿區(qū)橫梁2種，間距為3.0m.主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。

圖3 跨中橋面橫斷面圖

2.4 主縱梁設(shè)計(jì)

主橋主縱梁高2.2 m，寬3.2 m?？v梁內(nèi)橫隔板與橋面系橫隔板位置一一對(duì)應(yīng)。全橋鋼箱梁共分為26個(gè)梁段，節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度為6 m，拱腳處節(jié)段長度為6.5m。

2.5 端橫梁設(shè)計(jì)[6，7]

主梁端橫梁是全橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位之一，如圖4所示，也是構(gòu)造和受力最復(fù)雜的部位。這里處于主梁端橫梁斷面與標(biāo)準(zhǔn)段過渡區(qū)域,即主梁和拱肋結(jié)合的部位，也是主梁系桿錨固的位置，同時(shí)承受巨大的支座反力。此外，還要在橋頭橫隔板外側(cè)設(shè)置伸縮縫支撐肋。

圖4 端橫梁示意圖

端橫梁高3.0 m，跨中順橋向?qū)?.04 m，橫橋支座中心線總寬29.135 m。該處需要經(jīng)過精心布置，既要保證合理安全地傳力，又要避免構(gòu)造上的矛盾，方便施工。

2.6 吊桿設(shè)計(jì)

吊桿直接承受來自鋼橋面的恒載、汽車及人群等活載，是下承式拱橋傳力鏈中的重要一環(huán)。吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中心距為6 m。橫橋向在鋼縱梁內(nèi)設(shè)錨拉板，采用雙側(cè)叉耳吊桿，吊桿中心線向內(nèi)偏移12°。吊索上端通過拱肋內(nèi)錨箱張拉固定。吊索采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索?？紤]到疲勞、吊裝及可更換性，吊索設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值為2.5。

2.7 系桿設(shè)計(jì)

渦河大橋系桿索由高強(qiáng)度低松弛鍍鋅防腐預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，外包HDPE保護(hù)層，共8根，單側(cè)4根，設(shè)在鋼縱梁內(nèi)，錨固在拱腳支座附近。鋼絞線系桿索設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.0。

2.8 橋面鋪裝設(shè)計(jì)

通過對(duì)鋼橋面鋪裝方案比選分析，渦陽大橋主橋的行車道橋面鋪裝采用超薄層鋼橋面鋪裝，薄層鋪裝是由磨耗表層(改性聚合物)+抗裂彈性中間層(改性聚合物)+防水黏結(jié)層(改性聚合物、具有鋼橋面板防腐功能)組成。鋪裝總厚度為12 mm。

2.9 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋過渡墩采用三柱式橋墩，橋墩中心線與主橋支座中心線對(duì)齊，橋墩直徑4.0 m。橋墩蓋梁采用高低蓋梁形式，蓋梁頂高差1.1 m，總高3.6 m，總寬4.3 m。

主墩基礎(chǔ)采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。3個(gè)分離的鋼筋混凝土承臺(tái)間通過系梁連接，承臺(tái)高度3.5 m，承臺(tái)下采用10根直徑2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

建立全橋離散模型，如圖5所示，按照現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范對(duì)主橋總體和局部進(jìn)行靜力分析。驗(yàn)算的內(nèi)容有主拱肋強(qiáng)度、主縱梁強(qiáng)度、小縱梁強(qiáng)度、橫梁強(qiáng)度、橋面板強(qiáng)度和疲勞應(yīng)力、端橫梁局部應(yīng)力、吊桿力、系桿力、主拱肋和主梁變形、成橋和施工階段穩(wěn)定性、主拱肋局部穩(wěn)定計(jì)算等。經(jīng)計(jì)算，該橋強(qiáng)度、剛度等能均能滿足規(guī)范要求，主要部分計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 全橋離散模型圖

圖6 拱肋及主梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖7 拱肋及主梁豎向位移(單位：mm)

圖8 端橫梁局部分析

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

主橋的前四階動(dòng)力特性分析結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 一階豎向反對(duì)稱振型(f=2.5 Hz)

圖10 二階豎向正對(duì)稱振型(f=6.4 Hz)

圖11 三階扭轉(zhuǎn)振型(f=8.78 Hz)

圖12 四階扭轉(zhuǎn)振型(f=8.84 Hz)

3.3 整體穩(wěn)定性分析[8]

不考慮活載，前四階失穩(wěn)模態(tài)及特征值系數(shù)如圖13～圖16所示，該橋的穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。

圖13 一階失穩(wěn)模態(tài)(特征值14.17)

圖14 二階失穩(wěn)模態(tài)(特征值14.25)

圖15 三階失穩(wěn)模態(tài)(特征值17.07)

圖16 四階失穩(wěn)模態(tài)(特征值19.47)

4 結(jié) 論

(1) 系拱橋橋型可以很好地滿足跨度大、建筑高度小的橋型要求,同時(shí)也縮短了引橋和坡道長度，實(shí)現(xiàn)了橋兩邊與相交道路的順利銜接，優(yōu)化了兩側(cè)土地的使用，也降低了工程總造價(jià)。

(2) 該橋的建筑景觀設(shè)計(jì)選用恰當(dāng)?shù)墓袄呤父弑群蛢?nèi)傾角，風(fēng)撐采用帶橢圓孔的形式，整座橋造型新穎別致，線形流暢簡潔。橋梁建成后，成為當(dāng)?shù)氐男碌貥?biāo)。

(3) 端橫梁為拱梁結(jié)合段，受力要求高且復(fù)雜，鋼板縱橫交錯(cuò)。精心設(shè)計(jì)的方案，既保證了合理安全地傳力，又避免了構(gòu)造上的矛盾，方便施工。

(4) 該橋橋面鋪裝采用了鋼橋面超薄層鋪裝，不僅可以有效減輕橋梁橫載，提高安全儲(chǔ)備，延長使用壽命，同時(shí)薄層橋面鋪裝還具有優(yōu)良的抗滑、耐磨、耐久、施工簡單、便于養(yǎng)護(hù)的特點(diǎn)。