景觀鋼箱圓弧拱橋設(shè)計(jì)與靜動(dòng)力分析

甄玉杰，王 騰，顧瑋曄

（中建三局集團(tuán)有限公司西北公司，陜西 西安 710065）

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體布置

橋梁總長(zhǎng)36.92 m，寬6.2 m，主梁面積228.9 m2。上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，跨徑9.3 m+17.4 m+9.3 m。橋型總體布置圖如圖1 所示。本橋結(jié)構(gòu)體系為三跨連續(xù)梁體系，上部鋼結(jié)構(gòu)與墩臺(tái)采用支座連接。本橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：人群荷載為3.47 kN/m2；車輛荷載為城-B級(jí)；地震設(shè)防烈度8 度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g；橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。

圖1 橋型總體布置示意（單位：cm）

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋上部結(jié)構(gòu)采用9.3 m+17.4 m+9.3 m 三跨鋼箱拱橋。其中，結(jié)構(gòu)受力主要由3 個(gè)600 mm×700 mm鋼箱梁組成，鋼箱梁之間采用橫向肋板連接，全橋除支點(diǎn)采用封閉箱室外，其余部分均采用無(wú)底板的開放截面設(shè)計(jì)，有利于減輕梁體自重，降低工程造價(jià)。鋼箱梁底板和腹板厚度14 mm，頂板12 mm，鋼箱梁和橋面板加勁肋厚度14 mm，橫隔板厚度12 mm。主橋主梁斷面如圖2 所示。

圖2 橋梁主梁斷面（單位：mm）

1.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋墩采用鋼筋混凝土蓋梁柱式墩，蓋梁高400 mm，墩柱斷面尺寸為700 mm×700 mm，四邊均做150 mm×150 mm 倒角，使截面形成八邊形，同時(shí)在蓋梁下方0.5 m 處設(shè)置一道300 mm×400 mm 系梁。

橋臺(tái)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，臺(tái)帽尺寸為1.2 m×1.3 m×7.4 m，橋臺(tái)設(shè)3 根鉆孔灌注樁，樁基直徑0.8 m。樁基礎(chǔ)全部按摩擦樁設(shè)計(jì)。

1.4 建筑景觀設(shè)計(jì)

主梁鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)布置木龍骨（厚50 mm，寬80 mm），間距1500 mm，飾面采用80 mm×80 mm 天然防腐硬實(shí)木菠蘿格方條。橋墩外露處采用彩色硅酸鹽水泥仿石材表面。欄桿采用天然防腐硬木（紅色氟碳漆）。橋梁景觀效果圖如圖3 所示。

圖3 橋梁景觀效果圖

2 結(jié)構(gòu)模型

對(duì)橋梁設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選擇與建立最合適的模型，以及選擇最合適的分析類型，本身就是一項(xiàng)技術(shù)性與藝術(shù)性相結(jié)合的工作[1]。

主橋采用三跨鋼箱景觀圓弧拱橋，跨徑布置為9.3 m+17.4 m+9.3 m。全橋共分為189 個(gè)節(jié)點(diǎn)、316 個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?44 個(gè)、板單元72 個(gè)。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型示意

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 橋墩計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析表明，在承載能力極限狀態(tài)下，作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值均小于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，橋墩的抗彎、抗剪、抗扭承載力均滿足規(guī)范要求。

在正常使用極限狀態(tài)下，橋墩最大壓應(yīng)力為-1.55 MPa，無(wú)拉應(yīng)力，全截面處于受壓狀態(tài)。橋墩頂?shù)拙墘簯?yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2 剛度計(jì)算結(jié)果

鋼箱梁在活載作用下，豎向正撓度為18.55 mm，豎向負(fù)撓度為2.99 mm。汽車荷載作用下，主梁豎向計(jì)算正負(fù)撓度之和為21.54 mm，撓跨比為1/808，＜1/500，主梁剛度滿足規(guī)范要求[2]?；钶d作用下，鋼箱梁水平位移約7 mm，故本橋受力近似于梁式橋，水平推力很小。

3.3 鋼箱梁計(jì)算結(jié)果

鋼箱梁在運(yùn)營(yíng)階段最不利組合作用下的應(yīng)力如圖5 所示。

圖5 鋼箱梁下緣組合應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MP a）

在運(yùn)營(yíng)階段最不利組合作用下，鋼箱梁上緣最大組合應(yīng)力為-68.3 MPa，下緣最大組合應(yīng)力為178.5MPa。以上應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

成橋運(yùn)營(yíng)階段，穩(wěn)定性計(jì)算利用移動(dòng)荷載追蹤器選取活載最不利的工況進(jìn)行分析，考慮恒載、活載和風(fēng)荷載作為屈曲荷載。

成橋運(yùn)營(yíng)階段前，三階屈曲模態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)見表1。

表1 運(yùn)營(yíng)階段穩(wěn)定系數(shù)和屈曲模態(tài)

結(jié)構(gòu)一階穩(wěn)定系數(shù)為89.4，滿足規(guī)范要求。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性是有保證的。

5 地震反應(yīng)分析

5.1 自振特性分析

橋梁自振特性分析是研究橋梁振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。為了計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，必須首先計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性[3]。根據(jù)建立的動(dòng)力計(jì)算模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)自振特性分析，結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型特征見表2。

表2 成橋狀態(tài)自振頻率及振型一覽表

5.2 抗震反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)抗震分析采用反應(yīng)譜方法。反應(yīng)譜方法將動(dòng)力問(wèn)題靜力化，可以用較少的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值[4-5]。

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阻尼是結(jié)構(gòu)非常重要的動(dòng)力特性[6]，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.02。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該橋地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，基本烈度為8 度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，分區(qū)特征周期為0.4 s。

抗震分析采用多振型反應(yīng)譜法，地震反應(yīng)譜曲線如圖6 所示。

圖6 地震反應(yīng)譜曲線

地震荷載組合采用SRSS 法，縱向和橫向地震作用計(jì)算時(shí)分別考慮65%的豎向作用。

根據(jù)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，E1 地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，計(jì)算采用軸力- 彎矩- 曲率曲線中的首次屈服彎矩進(jìn)行控制。若E1 地震作用下塑性鉸區(qū)的彎矩小于首次屈服彎矩，就認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。

E1 地震作用下，橋墩縱向彎矩見表3。

表3 地震作用下橋墩最大彎矩 單位：kN·m

為了得到橋墩截面的首次屈服彎矩，需要繪制彎矩曲率曲線，混凝土材料采用mander 模型，鋼筋采用雙折線模型。以2 號(hào)橋墩為例，得到截面彎矩曲率曲線，如圖7 所示。

圖7 橋墩截面彎矩曲率曲線

由以上可見，在E1、E2 地震作用下，橋墩均處于彈性狀態(tài)。彈性抗震設(shè)計(jì)，用構(gòu)件的強(qiáng)度作為衡量結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)，只需校核構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，橋墩單元強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以三跨鋼箱景觀圓弧拱橋?yàn)槔榻B了橋梁總體布置、上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑景觀設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，利用大型有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力、穩(wěn)定、特征值計(jì)算分析和兩階段抗震設(shè)計(jì)分析。

（1）主橋結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

（2）在E1、E2 地震作用下，采用彎矩曲率曲線進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

（3）通過(guò)對(duì)該橋的設(shè)計(jì)、靜力、動(dòng)力計(jì)算的介紹，可為同類景觀圓弧拱橋的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。