盧浦大橋系梁設(shè)計(jì)

曾 源

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海市 200092）

1 工程概況

盧浦大橋工程北起浦西魯班路，穿越黃浦江，南至浦東濟(jì)陽路，全長8.7 km。2000年10月開工建設(shè)，2003年6月28日建成通車。工程總投資20多億元。

盧浦大橋主橋跨徑550 m，居世界同類橋梁之首，被譽(yù)為“世界第一鋼拱橋”。

（1）跨徑布置：100 m+550 m+100 m=750 m的拱梁組合體系中承式系桿拱橋。

（2）橋梁寬度：0.25 m（人行道欄桿）+2 m(人行道)+0.5 m(防撞欄桿)+12 m（車行道）+0.5 m（防撞欄桿）+12m（車行道）+0.5m（防撞欄桿）+2m(人行道)+0.25m（人行道欄桿）=30m(主橋全寬)。

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)荷載為汽車-20級，驗(yàn)算荷載為掛車-100,人群荷載為4 kN/m2,全橋均布人群荷載為2.4 kN/m2。

（4）通航標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)通航水位為4.0 m（吳淞高程），通航凈高46 m（含2 m富裕高度）,凈寬340m。

（5）抗震要求：地震基本烈度7度。

2 結(jié)構(gòu)形式及布置

主橋矢跨比f/l=1/5.5,邊跨采用上承式拱梁結(jié)構(gòu)。兩邊跨橫梁之間設(shè)置強(qiáng)大的水平拉索，以平衡主跨拱肋的水平推力。

中跨系梁通過支座擱置在拱梁結(jié)合段強(qiáng)大的中橫梁上，跨徑為400m。水平拉索在中跨系梁上開孔穿過，但水平拉索強(qiáng)大的水平力并不傳到中跨系梁上。在中跨系梁上按13.5m的間距布置吊桿。上端錨在鋼拱內(nèi)，為張拉端;下端錨在中跨系梁內(nèi)，為固定端。吊桿和系梁間采用鉸接形式，以適應(yīng)溫度位移的變化。

2.1 中跨系梁

中跨系梁為正交異性板全焊接鋼箱梁結(jié)構(gòu)，開口鋼箱梁，雙主梁（箱梁）加橫梁結(jié)構(gòu)體系。頂板寬39.5m，底板寬39.2m，中心線處梁高3m。中心線底板處有一工字形小縱梁，由3根寬400mm、厚16mm的鋼板焊接而成，并和橫梁底板焊接，用來增加梁的總體剛度。車行道部分頂板厚14mm，下設(shè)8mm厚的U形加勁。非車行道部分頂板和底板及二道腹板形成一個(gè)封閉箱，板厚均為10mm，并設(shè)r14a球扁鋼加勁。橫隔板間距為3.375m。標(biāo)準(zhǔn)橫梁箱外腹板厚10mm，箱內(nèi)腹板厚8 mm，箱內(nèi)腹板兩端各開4φ600孔放置水平拉索。橫梁底板按受力情況，跨中為18 mm,兩邊為14 mm。吊點(diǎn)橫梁因受力較大，根據(jù)吊桿受力不同，橫梁箱內(nèi)腹板增大到25～40 mm不等。橫梁底板跨中為25(30)mm，兩邊為20(25)mm。詳見圖1。

中跨共分13個(gè)節(jié)段，Z0段長28m，重387 t，ZW1(ZE1)～ZW 5(ZE5)節(jié)段長 27 m，每個(gè)節(jié)段重369 t，ZW6(ZE6)節(jié)段長 27 m，每個(gè)節(jié)段重 378 t，ZW7(ZE7)節(jié)段為縱向和中橫梁連接，橫向和拱連接的特殊節(jié)段，形狀不規(guī)則，并設(shè)有伸縮縫、阻尼器以及橫向限位塊等特殊裝置，受力較復(fù)雜。節(jié)段長約29 m，重466 t。中跨系梁在中跨拱合龍后采用船運(yùn)并用拱上吊機(jī)垂直提升法安裝就位。

2.2 邊跨系梁

邊跨系梁跨徑為170 m，兩端和拱固結(jié)，同時(shí)和大小立柱固結(jié)，立柱間距約為27.375 m。在邊跨箱梁內(nèi)部設(shè)有4×2根強(qiáng)大的水平拉索。在橋面系上也設(shè)有4×2根水平拉索。水平拉索錨固在尾端拱梁結(jié)合處，邊跨系梁上承受強(qiáng)大的水平力作用。

邊跨系梁也采用正交異性板全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，閉口鋼箱梁。頂板寬41m,厚均為13mm。在車行道部分設(shè)6 mm厚的U形加勁，在非車行道內(nèi)設(shè)r16a球扁鋼加勁。底板寬40.76m，厚均為10 mm，設(shè)r16a球扁鋼加勁。中心線處梁高3m。對應(yīng)立柱腹板處，梁內(nèi)相應(yīng)設(shè)腹板。因立柱在1/5斜平面內(nèi)，因此腹板也在1/5斜平面內(nèi)，為斜腹板。腹板內(nèi)側(cè)和立柱腹板內(nèi)側(cè)對齊。腹板厚標(biāo)準(zhǔn)段為10mm，大立柱頂加強(qiáng)到30mm。腹板上也設(shè)r16a球扁鋼加勁?？v向?qū)?yīng)大小立柱處均設(shè)有橫隔板。其余橫隔板按3.375 m間距設(shè)置。橫梁腹板厚8 mm，對應(yīng)腹板處加強(qiáng)為14mm。詳見圖2。

邊跨系梁每邊分為BW1(BE1)～BW16(BE16)16個(gè)節(jié)段，BW1（BE1）節(jié)段和尾端相連，BW16(BE16)節(jié)段和中橫梁相連。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為9m，重量在140 t左右，垂直提升后滑移安裝就位。

圖1 中跨鋼箱梁斷面（單位：mm）

圖2 邊跨鋼箱梁斷面（單位：mm）

3 截面特性及應(yīng)力驗(yàn)算

按施工工序分階段用全截面特性計(jì)算出系梁各階段內(nèi)力，但在計(jì)算各截面應(yīng)力時(shí)，卻不能按全截面計(jì)算，而應(yīng)考慮剪力滯后效應(yīng)，根據(jù)英國規(guī)范BS5400計(jì)算出各截面的有效分布寬度下的截面特性，得出相應(yīng)的各階段應(yīng)力，各階段應(yīng)力疊加，得出最終成橋態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)。

在BS5400中，按支撐條件的不同，分為簡支梁、連續(xù)梁各內(nèi)跨、自由端加支撐的懸臂梁及懸臂梁4種不同支撐條件的有效寬度比ψ的表格。同時(shí)表格內(nèi)又分為跨中、1/4跨及支撐處3項(xiàng)。說明同一截面在不同支撐條件下，不同截面處的有效分布寬度是截然不同的。

3.1 中跨系梁

因?yàn)榈鯒U的作用，中跨系梁的受力體系就象是一個(gè)連續(xù)梁。因此在計(jì)算截面的抵抗矩時(shí)，按連續(xù)梁查表。

首先要確定連續(xù)梁的跨徑。

吊桿間距為13.5 m，如果按l=13.5 m，b/l>1，表內(nèi)已查不到相應(yīng)的ψ值，即使用b/l＝1的ψ值計(jì)算出截面特性，算出的應(yīng)力很大，似乎不妥。按l=27 m，54 m，200 m，400 m分別計(jì)算了相應(yīng)的 ψ值。見表1。

表1 中跨系梁按不同跨徑計(jì)算得出的ψ值

可以看出：l越大，b/l越小，ψ值越大，有效分布寬度越寬，計(jì)算得出的截面特性也就越大，應(yīng)力值越小。連續(xù)梁的支撐為剛性支撐，其內(nèi)力影響線在支撐處為零。同樣，我們查看中跨系梁的內(nèi)力影響線后發(fā)現(xiàn)，其影響線類似于跨徑為40.5 m(3×13.5 m)的連續(xù)梁，即每3根吊桿中有1根相當(dāng)于剛性支撐，而在靠近中橫梁的短束區(qū)，則相當(dāng)于l=67.5m(5×13.5m)的跨徑。因此，在計(jì)算中我們分標(biāo)準(zhǔn)區(qū)和短束區(qū)分開計(jì)算，詳見表2。

3.2 邊跨系梁

邊跨系梁受到水平拉索作用下的強(qiáng)大的水平力N，N就好像作用在一個(gè)跨徑為170m的簡支梁上，所以在計(jì)算面積A時(shí)，按簡支梁查表，l=170m。對于彎距來說，因邊跨系梁固結(jié)在立柱上，立柱間距為l=27.375m，其內(nèi)力影響線和連續(xù)梁相同，所以在計(jì)算抵抗矩時(shí)，就按連續(xù)梁查ψ值，l=27.375m。詳見表3。

3.3 結(jié)論

（1）箱梁跨寬比越小，剪力滯影響越嚴(yán)重。所以在寬橋的應(yīng)力計(jì)算中，尤其應(yīng)計(jì)入剪力滯后效應(yīng)的影響。從表中可看出，在本例中，有效截面的抵抗矩最低時(shí)只有全截面的16%，用全截面計(jì)算應(yīng)力，顯然是不安全的。

（2）剪力滯的影響沿跨度方向有所不同，在靠近支點(diǎn)處最嚴(yán)重，而跨中截面受剪力滯的影響比支點(diǎn)截面小。

（3）對于一些特殊結(jié)構(gòu)，可運(yùn)用其影響線分析受力特征，求出正確的有效分布寬度。

4 大立柱頂BW 9(BE9)特殊節(jié)段設(shè)計(jì)

大立柱下端支撐在拱座上，上端對應(yīng)邊跨系梁BW9(BE9)號節(jié)段。因?yàn)樵谑┕み^程中，要在BW 9(BE9)節(jié)段頂建造一個(gè)高度120 m的施工臨時(shí)鋼塔，安裝鋼拱時(shí)所需的施工臨時(shí)拉索都錨固在臨時(shí)塔上，受力較大，且施工周期近一年多，期間可能還會經(jīng)歷強(qiáng)臺風(fēng)，所以對于臨時(shí)鋼塔的下錨固點(diǎn)BW9(BE9)節(jié)段的構(gòu)造要求是非常高的，它關(guān)系到整座大橋的施工進(jìn)程，是非常關(guān)鍵的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

從橫斷面上看，大立柱腹板有1/5的斜率，而臨時(shí)鋼塔是垂直的，且大立柱腹板間距為5.099m，而臨時(shí)鋼塔外腹板間距為4.75m，中間必然有一個(gè)過渡段。從縱斷面上看，大立柱頂腹板間距為5 m,而臨時(shí)鋼塔底外腹板間距為7.55 m。由于諸多外在條件的限制，這些尺寸都無法再改變。詳見圖 3、圖 4。

面對這樣的不利條件，BW9(BE9)節(jié)段的設(shè)計(jì)就是如何把臨時(shí)鋼塔內(nèi)的力安全地傳遞到大立柱上。首先通過臨時(shí)鋼塔的底座來解決空間幾何尺寸無法對齊的問題，通過調(diào)節(jié)臨時(shí)鋼塔底座腹板的傾斜角使臨時(shí)鋼塔內(nèi)的腹板和底座腹板對齊，底座腹板又和系梁內(nèi)腹板對齊，系梁內(nèi)腹板再和大立柱內(nèi)腹板對齊，環(huán)環(huán)相扣，使臨時(shí)鋼塔內(nèi)的力最終傳到大立柱，再到拱座基礎(chǔ)內(nèi)。由于每一環(huán)節(jié)中都有一個(gè)角度變換問題，同時(shí)由于施工誤差等因素會在角度變換處產(chǎn)生一些附加應(yīng)力，為了保證這一重大節(jié)點(diǎn)的安全可靠，采取了以下五個(gè)措施：

（1）加厚BW9(BE9)節(jié)段對應(yīng)部分的頂板、底板和腹板，并采用Z向板。

（2）加厚底座鋼板。

（3）在底座、BW 9(BE9)節(jié)段對應(yīng)部分及大立柱內(nèi)澆注混凝土。

（4）在4個(gè)角上設(shè)計(jì)4根空間三維預(yù)應(yīng)力束穿過底座、系梁和大立柱頂。

（5）在系梁腹板外側(cè)設(shè)置加勁以保證未澆注混凝土部分的安全。

5 材料指標(biāo)

中跨系梁、邊跨系梁選用鋼材為細(xì)晶粒可焊接S355N正火鋼板。中跨系梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每平方米鋼材用量為347 kg,邊跨系梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每平方米鋼材用量為373 kg,對于這樣的特大橋梁來說，還是比較先進(jìn)的。

表3 邊跨系梁有效截面計(jì)算

圖3 施工臨時(shí)鋼塔底座橫斷面圖

圖4 施工臨時(shí)鋼塔底座縱立面圖

6 結(jié)語

箱梁跨寬比越小，剪力滯影響越嚴(yán)重。所以在寬橋的應(yīng)力計(jì)算中，尤其應(yīng)計(jì)入剪力滯后效應(yīng)的影響。剪力滯的影響沿跨度方向有所不同，在靠近支點(diǎn)處最明顯。對于特殊結(jié)構(gòu)，可運(yùn)用影響線分析受力特征，求出正確的有效分布寬度。

盧浦大橋于2003年6月正式建成通車，運(yùn)行7年來各項(xiàng)性能良好。