新型飛鳥式系桿拱橋的方案設(shè)計研究與分析

朱巍志 張 哲 付 裕 檀永剛 趙維賀

（大連理工大學(xué)橋梁工程研究所1） 大連 116023） （北京市市政工程設(shè)計研究總院2） 北京 100045）

0 引 言

飛鳥式拱也稱飛燕拱，是鋼管（混凝土）拱橋中極具特色的一種橋型.它是指兩邊跨為半跨懸臂上承式拱、主跨為中承式鋼管（混凝土）拱，通過錨固于兩邊跨端部的拉索來平衡主跨大部分水平推力的橋梁結(jié)構(gòu)，也有稱自平衡式或自錨式的［1－3］.飛鳥式鋼管（混凝土）拱橋中的主跨、邊跨、主拱墩及系桿4大組成部分，四位一體，相互影響、相互依存，密不可分，無論哪一部分都無法獨(dú)立存在［4］.飛鳥式拱橋最常見的是3跨結(jié)構(gòu)形式，由于采用系桿平衡了拱的水平推力的絕大部分，使得樁基所受的水平推力大大降低［5］.飛鳥式橋型降低了平原地區(qū)或軟基地區(qū)拱橋的下部與基礎(chǔ)的工程量與造價，同時造型美觀，因此受到人們的喜愛.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

擬建的奉化江大橋位于寧波市海曙區(qū)與江東區(qū)交界處，在芝蘭橋與興寧橋之間.該處河寬約200m.該橋為城市主干道，是連接寧波東西城區(qū)的重要橋梁.

該橋為3跨飛鳥式系桿拱橋，跨徑為36m＋148m＋36m.主跨拱肋由空間布置的3根鋼管拱組成，大拱高31.5m，橋?qū)?9.2m，橫向布置為6.1m＋11m＋5m＋11m＋6.1m，橋面橫坡1.5%.橋梁立面和平面布置圖見圖1.該橋拱肋形式設(shè)計新穎，造型獨(dú)特，可以為同類橋梁的設(shè)計提供參考.

1.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖見圖2，拱圈采用通過拉桿和撐桿相互連接的3根鋼管組成，鋼管內(nèi)僅拱腳處4m范圍內(nèi)灌注C50混凝土.鋼管采用變厚度，拱腳處壁厚24mm，拱頂18mm，中間20 mm.鋼管內(nèi)部沿拱軸線方向每隔1.5m設(shè)一道環(huán)形橫隔板，沿環(huán)向設(shè)16道縱向加勁肋，高度為150mm，以保證鋼管的局部穩(wěn)定性.3根鋼管線形均采用拋物線，大拱直徑1.8m，位于豎直平面內(nèi)，矢跨比為1／4.7，2根直徑1.5m的小拱位于豎直平面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)22.19°的斜平面內(nèi)，拱平面內(nèi)的矢跨比為1／3.82，拱中心橫橋向水平距離為11.50m，豎向距離為8.7m.

大、小拱間斜向撐桿采用直徑500mm厚度12mm的鋼管，順橋向間距3m.小拱間橫向拉桿采用直徑180mm，厚度16mm的鋼管，內(nèi)部設(shè)37根直徑5mm平行鋼絲成品索，PE護(hù)套，冷鑄錨具，錨固在小拱的拱圈內(nèi)部，施工中需要張拉該索，以減小拉桿的拉力，保證管節(jié)點(diǎn)處焊縫的疲勞強(qiáng)度.

圖1 橋梁布置圖 （單位：m）

圖2 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖

鋼箱梁采用閉口截面箱梁，方案一采用箱梁結(jié)構(gòu)外加懸臂梁；方案二采用全封閉鋼箱梁.梁高2.25m，寬39.2m.頂板、底板厚度為14mm，采用正交異性鋼橋面板，橋面板設(shè)6mm厚的U形加勁肋，沿縱橋向每3m設(shè)一道12mm厚的橫隔板.端橫梁采用鋼橫梁，腹板厚度為24mm，每2m設(shè)16mm厚的橫隔板.對梁高進(jìn)行了2.50，2.25，2.00m3種高度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果均能滿足受力要求，但考慮到過橋管線的布置，本方案采用2.25m的梁高.

混凝土拱肋采用C50鋼筋混凝土，截面為矩形，由2.1m×2.1m漸變到4m×4m.

吊桿采用平行鋼絲成品索.順橋向間距6m.直吊桿16根，斜吊桿28根.系桿采用6根OVMGT15－37成品系桿索.系桿的最大拉力為37 500kN.

1.2 下部結(jié)構(gòu)

拱座采用C50鋼筋混凝土.拱座下承臺尺寸為8.2m×29.2m×3m，采用30根直徑1.2m的鉆孔灌注樁.邊墩承臺為5.2m×5.2m×2.0 m的3個承臺通過地梁連接為一體.樁基礎(chǔ)采用12根直徑1.2m的鉆孔灌注樁.

2 方案實施

施工步驟如下：施工主橋圍堰、樁基礎(chǔ)、施工臨時墩；拱座、承臺、橋墩.同時在工廠制作鋼箱梁節(jié)段，鋼拱圈→搭設(shè)臨時棧橋，混凝土拱肋支架、主梁支架→現(xiàn)場澆筑混凝土拱肋→現(xiàn)場安裝鋼箱梁，鋼箱梁合龍→現(xiàn)場搭設(shè)鋼拱圈支架，安裝鋼拱圈，安裝拱間撐桿、拉桿及拉桿內(nèi)鋼索→大拱內(nèi)拱腳4m范圍內(nèi)灌注混凝土，張拉部分系桿→安裝豎向吊桿、斜向吊桿→張拉豎向吊桿、斜向吊桿→拆除鋼拱圈、鋼箱梁支架→施工橋面鋪裝、人行道、欄桿等橋面系工程→調(diào)整吊桿力，調(diào)整系桿索力→安裝裝飾工程.

3 結(jié)構(gòu)靜力計算及優(yōu)化

3.1 空間有限元模型

采用空間桿系有限元模型，主梁、拱圈、撐桿、拉桿、樁基礎(chǔ)均采用梁單元模擬，吊桿、系桿、橫向拉桿內(nèi)的拉索采用索單元模擬，承臺采用厚板單元模擬.模型共有節(jié)點(diǎn)1 994個，梁單元2 711個，索單元158個，板單元160個.計算模型中，在主梁與墩之間采用彈性連接模擬支座，通過計算支座剛度給出彈性連接的各方向剛度；樁底固結(jié)，樁體采用土彈簧模擬樁土相互作用.

3.2 荷載工況

恒載考慮結(jié)構(gòu)自重，鋪裝9cm厚.

活載：汽車荷載，城－A級，雙向6車道，折減系數(shù)0.55.

人群荷載，3.5kN／m2.溫度考慮整體升溫30℃，降溫25℃.溫度梯度按5℃考慮.

工況一：恒載（結(jié)構(gòu)自重＋鋪裝等附加重量）.

工況二：恒載＋活載（考慮偏載情況的最不利組合）.

工況三：恒載＋活載＋溫度（最不利組合）.

3.3 計算結(jié)果

恒載狀態(tài)主梁最大撓度為4.8cm，如果施工中主拱設(shè)預(yù)拱度，通過張拉吊桿力可使主梁不產(chǎn)生向下?lián)隙?最大拉應(yīng)力為126MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設(shè)計中橫向拉桿內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼索，可以大幅度減小拉桿的拉力；最大壓應(yīng)力為113 MPa，位于小拱的拱腳處.

工況二的加載按6車道，采用影響線加載，求出最不利加載情況下的應(yīng)力和位移，這個過程中已經(jīng)考慮了車輛的偏載.最大拉應(yīng)力為135MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設(shè)計中橫向拉桿內(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼索，可以大幅度減小拉桿的拉力；最大壓應(yīng)力為157MPa，位于小拱的拱腳處.最大位移17cm.

工況三考慮恒載、活載、溫度所產(chǎn)生效應(yīng)的最不利組合.最大拉應(yīng)力為137MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設(shè)計通過張拉橫向拉桿內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼索，大幅度減小拉桿的拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力為161MPa，位于小拱的拱腳處.最大位移18cm.

3.4 優(yōu)化計算

對于鋼管混凝土拱方案和鋼管拱方案分別進(jìn)行計算，考慮混凝土的收縮徐變，對鋼管混凝土拱方案進(jìn)行了施工階段分析，分別得到兩種方案在恒載＋活載＋整體升降溫的最不利組合下拱的應(yīng)力結(jié)果，取壓應(yīng)力最大位置進(jìn)行比較［6］.

如圖3所示，取主拱及次拱的拱腳，距拱腳水平距離8.2m處4點(diǎn).以下為各點(diǎn)最大拉（壓）應(yīng)力比較，其中壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正.

圖3 關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖（單位：m）

從表1可以看出由于混凝土的收縮徐變以及活載作用下鋼管混凝土方案中的混凝土局部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大處達(dá)到了6.4MPa，鋼管拱方案由于在應(yīng)力較大的區(qū)域加大了管壁厚度，最大壓應(yīng)力為161MPa，而鋼管混凝土拱方案最大壓應(yīng)力為162MPa，由此可以看出鋼管拱方案要優(yōu)于鋼管混凝土方案.因此本方案采用鋼管內(nèi)用加勁肋加強(qiáng)，僅在拱腳處4m范圍內(nèi)灌注混凝土的設(shè)計方案.

表1 關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力比較MPa

4 穩(wěn)定計算及特征值分析

建立荷載最不利工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，得到該橋最小的穩(wěn)定系數(shù)為6.944，滿足規(guī)范大于4到6的要求，為拱肋的整體失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為拱肋的面外反對稱彎曲失穩(wěn)［7］.

將結(jié)構(gòu)自重和二期恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，即建立模型的質(zhì)量矩陣，并將吊桿和系桿的初始剛度賦予結(jié)構(gòu)，利用多重Ritz向量法對其進(jìn)行特征值分析，得到各階振型，表2列出了前10階振型的頻率和振型形態(tài)描述.從結(jié)果可以看出，該橋基頻為0.712 2Hz，說明該橋的整體剛度較大，由于采用了抗扭剛度較大的鋼箱梁截面，主梁的1階對稱扭轉(zhuǎn)振型并未出現(xiàn)在第1階，而是第4階.

表2 成橋狀態(tài)固有頻率和振型表

5 結(jié) 束 語

本文通過寧波奉化江大橋的方案設(shè)計介紹了一種主跨拱肋形式新穎的飛鳥式系桿拱橋橋型，由方案設(shè)計介紹和空間有限元計算結(jié)果可以看出該橋型結(jié)構(gòu)造型獨(dú)特，受力安全可靠，具有良好的穩(wěn)定性和動力特性，該方案設(shè)計和計算可以為同類城市橋梁的方案設(shè)計提供一定的參考和借鑒.

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