某梁拱組合橋總體設(shè)計與施工方案

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們越來越重視橋梁的景觀設(shè)計，本文采用3dMax建模對比分析了橋梁的景觀設(shè)計。介紹了大橋的總體方案，采用板單元模型推理了梁的合理有效寬度，介紹了梁拱組合橋調(diào)索的便捷方法，并對比了橋梁頂推施工的可行性方案。

關(guān)鍵詞：景觀設(shè)計;梁拱組合橋;調(diào)索;頂推施工

中圖分類號：U422.5 文獻標識碼：A

1 工程概況

項目位置遠期規(guī)劃為鹽城市城南片區(qū)的區(qū)域中心，同時結(jié)合周邊的地塊開發(fā)情況，本橋宜打造成鹽城南部地標性的景觀建筑橋梁。綜合考慮防洪、通航等要求，大橋跨徑布置采用40 m+110 m+40 m，為造型簡潔大方、橫向不設(shè)風撐的鋼箱梁拱組合橋，如圖1所示。

主橋橫斷面布置為：3.5 m（人行道）+5.5 m（非機動車道）+3.5 m（拱肋吊桿區(qū)）+12.25 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+12.25 m（機動車道）+3.5 m（拱肋吊桿區(qū)）+5.5 m（非機動車道）+3.5 m（人行道）=50 m，采用向外的2%橫坡。

2 橋梁設(shè)計

2.1 拱肋景觀優(yōu)化設(shè)計

橋梁主跨為110 m，梁底距水面高度約8.5 m，拱肋高度（不含裝飾）由拱頂?shù)?.2 m向拱腳的3.5 m漸變。為增強橋梁與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，本文采用3DMax建立全橋模型，分別對比了20 m、18 m、16 m三種不同的拱肋高度，對應的矢高比分別為1/5.5、1/6.11、1/6.88。

渲染出的小樣如圖2所示，通過對比可見，當拱肋高度為18 m（矢高比1/6.11）時，整體形態(tài)更加優(yōu)美，更具力量感、雕塑感。水面、橋面及拱肋結(jié)合性更好，更能體現(xiàn)出拱肋的流線設(shè)計，形態(tài)亦更加溫婉。

橋梁美化的方法還包括橋梁表面的處理，作為景觀橋梁更有必要進行表面的處理，除色彩和夜景的處理之外，橋體輪廓邊線也能強調(diào)不同結(jié)構(gòu)部位的特征。本橋拱肋上緣外包冷壓鋼板作為裝飾，以增強橋梁景觀效果。在此，對比六邊形和梯形拱肋斷面（拱肋+裝飾拱），如圖3、圖4所示。

經(jīng)綜合比較，拱肋主體結(jié)構(gòu)采用六邊形斷面時，更能體現(xiàn)拱橋的力量感，凸顯拱橋的圓潤;相反，采用梯形斷面，視覺上更顯平庸。因此，本橋拱肋采用了頂、底板水平，上腹板、下腹板反向傾斜并在拱肋中心線處相接，形成外凸的側(cè)棱線。拱肋上緣裝飾板采用梯形帶圓弧倒角的外形。

2.2 系梁、車行道鋼箱梁構(gòu)造

系梁及行車道鋼箱梁結(jié)構(gòu)如圖5所示。系梁全橋均為2.2 m高度，在主跨范圍內(nèi)系梁寬1.62 m，在邊跨范圍內(nèi)系梁寬1.81 m，在拱腳處系梁寬度2.2 m。車行道部分采用鋼箱梁形式，橋面采用正交異性板結(jié)構(gòu)[1]，以16 mm厚為主，下設(shè)“U”形縱向加勁肋，間距600 mm。底板以12 mm厚為主，上設(shè)“U”形縱向加勁肋，間距800 mm。箱梁范圍內(nèi)設(shè)2道縱腹板，板厚14 mm。

2.3 非機動車道與人行道挑梁構(gòu)造

挑梁亦為正交異性橋面板，見圖6。橋面板厚14 mm，下設(shè)板式加勁肋，間距以350 mm為主。挑梁設(shè)五道縱梁，縱梁腹板厚12 mm，下翼緣板厚16 mm。挑梁腹板間距以8.4 m為主。

3 受力分析

3.1 施工方案及受力分析

橋位所在河道通航凈空不小于70 m×7 m，為不影響通航，鋼箱梁的架設(shè)擬采用頂推法施工。為確保工程質(zhì)量及施工進度，對以下兩種頂推跨徑方案進行比較。

3.1.1 先梁后拱頂推方案。

主要施工流程如下：①設(shè)置頂推用臨時墩，搭設(shè)主梁拼裝平臺，安裝頂推裝置。②拼裝主梁;安裝鋼導梁。③主梁向前頂推，到位后拆除鋼導梁。④拆除主梁拼裝平臺。⑤搭設(shè)拱肋拼裝支架，對稱吊裝拱肋節(jié)段。⑥拆除拱肋拼裝支架，安裝吊桿，依次進行第一輪、第二輪吊桿張拉。

3.1.2 梁拱一起頂推方案

主要施工流程如下：①設(shè)置頂推用臨時墩，搭設(shè)主梁拼裝平臺，安裝頂推裝置。②拼裝主梁，搭設(shè)拱肋拼裝支架，對稱吊裝拱肋節(jié)段。③安裝頂推用鋼導梁。④主梁及拱肋向前頂推，到位后拆除鋼導梁。⑤拆除主梁拼裝平臺、拱肋拼裝支架，安裝吊桿，依次進行第一輪、第二輪吊桿張拉。

3.1.3 頂推比較

采用Midas Civil建立全橋整體模型分析兩種頂推方案，頂推跨徑為70 m。為簡化計算，本文從頂推進度為42 m起算（導梁完全懸出），以2 m間距為步距，至頂推進度為112 m（主梁上墩），建模見圖7。同時，將頂推過程分成35個施工階段，通過調(diào)整支承邊界條件來實現(xiàn)每個施工階段。

通過計算發(fā)現(xiàn)，導梁上到對面臨時墩后，應力還在整加，直至約一半長度的導梁跨過對面的臨時墩。經(jīng)計算方案一（先梁后拱頂推方案）頂推過程中的最大應力約154.6 MPa;方案二（梁拱一起頂推方案）頂推過程中的最大應力約187.9 MPa。

為避免局部板件因受力過大而失穩(wěn)，必要時需增設(shè)相應加勁構(gòu)造。在豎向千斤頂與鋼梁之間須設(shè)置墊梁，使千斤頂作用在鋼梁上的集中力在縱橋向能夠均勻擴散。經(jīng)計算，擴散范圍不小于1.5 m，并直接傳遞到系梁、箱梁的腹板上[2-3]。

3.2 受力分析

3.2.1 箱梁有效分布寬度

本文用有限元軟件Midas Civil中的梁單位該橋進行建模分析，因現(xiàn)有規(guī)范沒有明確鋼箱梁拱組合橋鋼箱梁的合理有效分布寬度，本文分別建立了本橋的梁格單元模型和板單元模型，分別如圖8、圖9所示。

經(jīng)綜合對比，當梁格模型采用0.88～0.95倍左右的有效寬度折減系數(shù)時，兩模型中箱梁頂?shù)装鍛疽恢拢虼肆焊衲Ｐ椭胁捎?.91對箱梁頂?shù)装暹M行折減[4]。

3.2.2 吊桿索力的確定

（1）吊桿最優(yōu)索力探索。本橋為鋼箱梁拱組合橋，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)（如圖10所示），由于其成橋線形和內(nèi)力狀態(tài)可以通過吊桿拉力的調(diào)整得到，因此設(shè)計首先是確定其合理的成橋狀態(tài)。解決這一問題的辦法主要有：最小彎曲能量原理法、影響矩陣法、內(nèi)力平衡法、剛性支承連續(xù)梁法等。本橋設(shè)計中借鑒斜拉橋的最小彎曲能量原理法，得到了預期的吊桿張拉力。

最小彎曲能量原理法是以整個結(jié)構(gòu)的彎曲能量最小為目標函數(shù)，計算得到結(jié)構(gòu)在恒載作用下的彎矩余能最小。對于梁拱組合橋來說的具體辦法就是將梁、拱和吊桿的面積擴大N倍，并采用一次落架成橋的方法，求出合理的索力，然后再帶入模型，進一步微調(diào)優(yōu)化結(jié)構(gòu)（主要考慮彎矩和預拱度），此時得到的索力為最優(yōu)索力，本橋計算結(jié)果如表1所示。

（2）分階段施工吊桿索力計算。結(jié)合3.1.3條確定的頂推方案，頂推就位且拱肋在支架上全部拼裝完畢后，拆除拱肋支架并安裝吊桿。吊桿采用1-2-3-4-5-6的張拉順序，同時以橋面中心線和跨徑中心線對稱張拉。吊桿張拉按兩輪進行，第二輪張拉完畢后拆除剩余主梁支架，安裝拱肋外包裝飾并進行橋面系施工。

按最小彎曲能量原理法，第一輪吊桿力分布為850 kN～

1 100 kN，鋼箱梁、拱肋撓度變形20 mm以內(nèi)，因此第一輪張拉力按照1 000 kN控制。下面按正裝迭代法計算達到預期的吊桿力。

首先將該成橋狀態(tài)與事先定好的合理成橋狀態(tài)進行比較，求出差值。利用索力影響矩陣，根據(jù)最小二乘法原理，通過使兩個成橋狀態(tài)的控制量差值最小來計算安裝索力的調(diào)整量，得到新的安裝索力。

再次進行新的一輪正裝計算，直至收斂為止。

通過迭代計算，最終索力與最優(yōu)索力之間差值均在20 kN以內(nèi)，得到了理想的索力。

3.2.3 穩(wěn)定性計算

本橋未設(shè)置橫撐，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性亦是重點關(guān)注的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)K定義為：K=Pcr/PT，式中：K為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)。

成橋狀態(tài)恒載包括結(jié)構(gòu)自重與二期恒載?；钶d分別用活載追蹤器追蹤到邊跨中點位移最大、中跨中點位移最大、主拱中點位移最大等三種情況。在恒載+活載作用下的屈曲穩(wěn)定，計算得一階屈曲為拱肋同向失穩(wěn)（如圖11），模型的屈曲穩(wěn)定系數(shù)為8.45，滿足規(guī)范規(guī)定穩(wěn)定系數(shù)大于4的要求。

4 結(jié)語

（1）目前我國正處在橋梁建設(shè)的一個高峰時期，橋梁設(shè)計與建設(shè)不純粹以交通為目的，橋梁景觀設(shè)計已提上日程，本橋以緩和拱肋加裝飾拱為造型，不僅改善了當?shù)氐慕煌顩r，也形成了一道獨特的景觀風貌，為類似景觀橋設(shè)計提供參考。

（2）采用板單位模型分析了梁拱組合橋梁體的合理有效寬度;借鑒斜拉橋調(diào)索方式，總結(jié)出了類似鋼箱梁拱組合橋的便捷調(diào)索方式。

（3）鋼箱梁拱組合橋可采用先梁后拱頂推方案或梁拱一起頂推的方案，具體需結(jié)合周邊環(huán)境、施工條件、頂推跨度等確定。

參考文獻：

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[3]徐濤.簡支超寬鋼箱梁設(shè)計與頂推受力分析[J].工程與建設(shè)，2019，33（03）：357-359+401.

[4]JTG D64-2015 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].人民交通出版社股份有限公司，2015.