某斜腿剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)受力分析

鄧平躍 陶納川

1 項(xiàng)目概況

上海浦東錦康路張家浜橋位于浦東陸家嘴地區(qū)，北依上?？萍拣^和浦東新區(qū)區(qū)政府，南至逸飛創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)街，東接世紀(jì)公園，西鄰楊高南路。根據(jù)規(guī)劃，張家浜創(chuàng)意街區(qū)段“應(yīng)突出橋梁現(xiàn)代氣息，且橋梁應(yīng)加強(qiáng)張家浜濱水游憩景觀意象力與可識(shí)性”。經(jīng)過(guò)多次的方案比選，演化、深化，最終選定張家浜橋?yàn)閹Ь坝^拱的V形斜腿剛構(gòu)橋，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)總體布置

張家浜河道河底寬度20m，兩岸各6m防汛通道，河道常水位2.5 m，通航凈寬18 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用14.01 m+27.18 m+14.01 m的帶鋼箱梁掛孔的無(wú)橋臺(tái)鋼筋混凝土V形剛架橋結(jié)構(gòu)形式，橫斷面一幅式布置，橋梁全寬24.5 m。兩邊跨采用現(xiàn)澆混凝土V形剛架斜腿剛構(gòu)，主跨采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁掛孔。在掛孔上設(shè)置剛架拱作為裝飾，形成的整體效果見(jiàn)圖1。V形墩由主梁、中斜腿、邊斜腿三部分組成。主梁采用橫向4片肋板式，各片箱梁底寬3.7 m，橫向凈距2.4 m，邊斜腿考慮結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造需要，全斷面等寬布置，中斜腿與四片梁肋對(duì)應(yīng)，分成四片，且上寬下窄。V形剛構(gòu)兩斜腿下設(shè)置承臺(tái)，橋梁下部采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

本橋造型新穎，結(jié)構(gòu)受力獨(dú)具特點(diǎn)。傳統(tǒng)的斜腿剛構(gòu)有文獻(xiàn)[1]中第433頁(yè)的V形橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋和將直腿改為斜腿的可稱斜腿剛架橋。文獻(xiàn)[2]中第390頁(yè)提到的無(wú)橋臺(tái)斜腿剛架橋，其主跨和邊跨是連續(xù)的，亦不同于其第393頁(yè)提到的設(shè)置鉸的情況，使用鉸實(shí)際上在構(gòu)造上很難做到，因?yàn)橐獋鬟f水平力。而本處采用掛孔，不傳遞水平力和彎矩，只傳遞豎向力。因此為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的建筑造型和結(jié)構(gòu)處理，必須針對(duì)具體結(jié)構(gòu)分析其受力特點(diǎn)。其總體結(jié)構(gòu)受力特征為:邊跨采用V形斜腿剛構(gòu)，形成混凝土的三角剛架，三角剛架伸出牛腿，以支承主跨鋼箱梁。因此主跨鋼箱梁應(yīng)該視為簡(jiǎn)支。該斜腿剛構(gòu)的V形三角剛架由上部橋面板梁，邊斜腿和中斜腿相互剛接組成，邊斜腿兼作擋土墻用。

該斜腿剛構(gòu)由于三角剛架采用牛腿搭接中孔鋼箱梁，因此在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，掛孔應(yīng)作為附屬結(jié)構(gòu)，可作為簡(jiǎn)支梁計(jì)算其受力，然后將其解除，計(jì)算主體結(jié)構(gòu)時(shí)，可將附屬結(jié)構(gòu)的反力施加于主體結(jié)構(gòu)。主要荷載分為兩部分，一部分是剛架自身處荷載作用，一部分是掛孔傳來(lái)的豎直集中力。自身部分荷載作用下該結(jié)構(gòu)為剛架結(jié)構(gòu)，受到掛孔力部分也應(yīng)看作剛架受力，若看作桁架，則為機(jī)動(dòng)體系。基于此，結(jié)構(gòu)受力較為不利，彎矩很大。由于主跨掛孔對(duì)于剛架只有豎向力作用，水平方向主跨和邊跨無(wú)約束，因此不傳遞水平力，故而三角剛架不受水平力作用，對(duì)于上海軟土地基減小了不少壓力。但掛孔傳給剛架的豎向力會(huì)對(duì)剛架產(chǎn)生較大的彎矩，對(duì)下部結(jié)構(gòu)亦產(chǎn)生彎矩，因此承臺(tái)較大，樁基數(shù)量較多。本橋無(wú)橋臺(tái)，邊斜腿可以兼作擋土墻用，其土壓力應(yīng)該按主動(dòng)土壓力計(jì)算。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)上述對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解，利用Midas軟件建立空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖2)。首先計(jì)算掛孔受力，將鋼箱梁橫向分成四片，利用梁格法進(jìn)行計(jì)算。而后根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出單片鋼箱梁結(jié)構(gòu)反力，在三角剛架計(jì)算時(shí)，將其施加到相應(yīng)牛腿部位。三角鋼架在承臺(tái)底視為固結(jié)。

由于三角剛架主要承受剛架自身處荷載作用和掛孔傳來(lái)的豎直集中力，又根據(jù)規(guī)范要求，將永久荷載和可變荷載組合，得到短期效應(yīng)組合作用下三角剛架各部分的上下緣最大、最小應(yīng)力，如圖3～圖 6所示。

從結(jié)果可以看出，橋面板梁為拉彎構(gòu)件，邊斜腿和中斜腿均為壓彎構(gòu)件。組合荷載作用下，邊斜腿由于自重彎矩和掛孔荷載的彎矩的疊加抵消效應(yīng)，彎矩較小，其壓應(yīng)力在3 MPa內(nèi)，拉應(yīng)力在2 MPa以內(nèi)。組合荷載中斜腿的彎矩則較大，尤其在腳趾處，存在較大的負(fù)彎矩，為4 448 kN。其應(yīng)力圖也可看出，腳趾處應(yīng)力也較大。因此，該處設(shè)計(jì)應(yīng)該引起重視，加強(qiáng)構(gòu)造措施和配筋。橋面板由于為拉彎構(gòu)件，可以設(shè)置預(yù)應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了位于逸飛創(chuàng)意街和上?？萍拣^之間的錦康路張家浜橋的設(shè)計(jì)，對(duì)其建筑造型進(jìn)行了描述，然后重點(diǎn)分析了其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，從而為施工圖繪制和工程建設(shè)闡明了概念。該橋在方案形成過(guò)程中，以結(jié)構(gòu)受力來(lái)服從建筑造型的需要，但同時(shí)也在造型既定的情況下不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。采用掛孔，避免了中跨對(duì)三角剛架基礎(chǔ)形成水平推力的問(wèn)題，適應(yīng)于上海的軟土地基。采用鋼箱梁，大大減輕了掛孔自重，從而對(duì)三角剛架形成盡可能小的外部彎矩作用。橋下三角剛架底部設(shè)有景觀平臺(tái)，形成獨(dú)特的休閑水景。本橋溝通了科技館和創(chuàng)意街，同時(shí)在設(shè)計(jì)上融科技和藝術(shù)于一體，是人類智慧的體現(xiàn)。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 上海市政工程設(shè)計(jì)研究院.橋梁設(shè)計(jì)工程師手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 陳燕飛.連續(xù)剛構(gòu)景觀小橋設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2009，35(10):341-343.