下官河大橋飄帶形系桿拱設(shè)計

劉玉靜，申哲會，賁慶國

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

下官河大橋位于興化市西北區(qū)域平旺湖北出口，東臨千垛菜花景區(qū)，西接李中水上森林公園，跨越下官河V級航道，是連接千垛菜花景區(qū)至李中水上森林公園的重要通道。橋梁全長407.08 m，主橋采用4跨中承式飄帶形系桿拱，跨徑布置為（22+60.9+75.9+22） m，全長180.8 m，橋面全寬12 m。兩側(cè)引橋分別為4×20 m、7×20 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，主橋橋型立面見圖1。

采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：汽車荷載等級，公路—Ⅱ級；設(shè)計車速60 km/h；橋面設(shè)計縱坡2.8%；橋面設(shè)計橫坡，雙向2%；豎曲線半徑，橋梁凸曲線半徑3 500 m；通航標(biāo)準(zhǔn)，V級航道，通航凈空60 m×5 m；抗震設(shè)防烈度7度，地震動峰值加速度0.1 g。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

2 方案設(shè)計

下官河大橋橋位處河口寬150 m，水面寬126 m，東側(cè)魚塘寬123 m，水面寬116 m，下官河與魚塘間有一道寬約2 m的圩堤，橋梁中心線與航道中心線基本正交。橋梁方案的選擇首先應(yīng)滿足航道的通航凈空要求，同時結(jié)合周邊環(huán)境，達(dá)到一定的景觀效果。

拱橋形如玉帶，態(tài)似彩虹，具有曲線美，形態(tài)上兼容了自然景觀與人文景觀協(xié)調(diào)美的特性（曲線易融性）［1］。選型初始，選定橋型方案為拱橋，考慮到水面較寬，航道偏于一側(cè)，經(jīng)過多次比選，主橋采用4跨中承式非對稱飄帶形系桿拱，跨徑布置為（22+60.9+75.9+22） m。從遠(yuǎn)處看，4個拱高低錯落有致，猶如兩條飛舞的飄帶，又如展翅飛翔的海鳥，臨湖而動，具有強(qiáng)烈的景觀視覺效果，與周邊環(huán)境融為一體。如圖2所示。

圖2 方案構(gòu)思圖（單位：m）

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)體系

下官河大橋主橋拱肋立面軸線線形采用二次拋物線，豎直布置，拱肋之間通過拱間橫梁連接。吊桿采用橫橋向雙索面布置，在橫梁上布置混凝土預(yù)制Π形板形成橋面行車體系，橋面荷載通過橫梁、吊桿傳遞至拱肋。橋面以上拱肋采用矩形鋼箱形拱，橋面以下采用實(shí)體混凝土拱肋。護(hù)欄與拱肋之間設(shè)置水平系桿連接主橋兩端的端橫梁，以平衡主橋的水平推力；順橋向拱與拱之間的水平推力通過合理配置矢跨比使得全橋在恒載下的拱腳間水平推力相互抵消[2]。

3.2 主拱肋

主橋共設(shè)置2片拱肋，分別由4個拱跨組成，拱軸線均采用二次拋物線。1號、4號拱肋位于主橋兩端，分別由2個半拱組成。2號、3號拱肋計算跨徑分別為60 m、75 m，矢高分別為24.5 m、38 m。2片拱肋在橋面以上無橫撐，在橋面以下設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土拱間橫梁，用以加強(qiáng)拱肋的整體穩(wěn)定性能，同時擱置橋面板。橋面約2 m以上拱肋采用矩形鋼箱形拱，橋面以下采用實(shí)體混凝土拱肋。1號、4號拱肋截面高度為2 m，2號、3號拱肋立面采用變高度設(shè)計，拱頂處截面高度為1.3 m，拱腳處混凝土斷面理論截面高度分別為2.3 m、2.8 m，橋面以上鋼-砼接頭處截面高度分別為1.8 m、2.3 m，截面高度沿拱軸線長度線性變化，橫橋向拱肋寬度均為1.5 m。

鋼拱肋采用箱形斷面，頂?shù)赘拱搴穸染鶠?0 mm，在拱腳區(qū)局部加厚至24 mm。頂、底板及腹板均采用鋼板加勁，加勁板厚16 mm，板高180 mm，間距300~550 mm。拱肋每約2 m設(shè)置一道厚度為16 mm的橫隔板，與拱軸線垂直布置，在吊桿處橫隔板與吊桿方向一致，豎直布置，板厚為20 mm。鋼結(jié)構(gòu)拱肋采用Q345q-D，技術(shù)條件符合GB/714—2000的要求。如圖3、圖4所示。

圖3 鋼箱拱肋斷面圖（單位：mm）

圖4 鋼-砼連接段（單位：mm）

3.3 鋼-砼連接段

2號、3號拱在拱腳處設(shè)置鋼-砼連接段，為保證鋼箱拱肋與混凝土拱肋之間的連接過渡段應(yīng)力均勻、有效過渡，本橋構(gòu)造設(shè)計上遵從多次應(yīng)力擴(kuò)散的設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計。

鋼箱拱在靠近連接段時，鋼箱壁厚由20 mm變?yōu)?4 mm，縱向加勁肋從16×200 mm漸變?yōu)?6×300 mm，完成鋼-砼連接段第一次應(yīng)力擴(kuò)散，即鋼結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力擴(kuò)散；在鋼-砼分界線處設(shè)置封頭端板，端板下1.5 m范圍內(nèi)設(shè)置栓釘及PBL剪力鍵，并在鋼-砼連接段處設(shè)置預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，完成應(yīng)力的第二次擴(kuò)散。

3.4 橋道系

吊桿區(qū)橋道系采用橫梁+橋面板的結(jié)構(gòu)形式，吊桿橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T形斷面,橋面板采用0.55 m高Π形混凝土預(yù)制板。橋面板在吊桿橫梁處設(shè)置后澆帶，以保證橋面板與橫梁固結(jié)。橋面板通過支座與拱間橫梁相連。

1號、4號拱區(qū)段采用20 m跨徑預(yù)制空心板梁，簡支結(jié)構(gòu)，兩端分別擱置在端橫梁及拱間橫梁上。過渡墩段8.64 m范圍考慮到邊拱壓重，設(shè)計采用實(shí)心整體橋面，引橋20 m空心板支撐在過渡墩端橫梁上。如圖5所示。

圖5 邊跨拱梁結(jié)合區(qū)立面（單位：cm）

6#墩頂拱間縱梁采用鋼筋混凝土箱梁，經(jīng)過對兩端與拱間橫梁簡支、一端簡支一端固結(jié)及兩端均簡支等各種邊界條件形式的比較，最終設(shè)計選用與拱間橫梁兩端固結(jié)。如圖6所示。

圖6 6#墩頂拱梁結(jié)合區(qū)立面（單位：cm）

3.5 吊桿

為減少斷索、換索風(fēng)險，吊桿布置采用雙吊桿形式。吊桿縱橋向間距5.5 m，全橋共36對，吊桿橫梁上張拉端采用螺母調(diào)節(jié)型錨具，拱上固定端采用銷鉸式錨固。吊桿采用填充型環(huán)氧涂層鋼鉸線吊桿，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。為了加強(qiáng)拱橋橫橋向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，雙吊桿在橫橋向布置。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

3.6 系桿

系桿順橋向沿橋面豎曲線進(jìn)行布置，橫橋向設(shè)置在拱肋與護(hù)欄之間，每側(cè)共4束，采用環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼鉸線成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。系桿在每個吊桿橫梁上設(shè)置支架，在每個拱間橫梁處設(shè)置鋼管轉(zhuǎn)向器。系桿錨固在端橫梁牛腿處。

3.7 基礎(chǔ)

主橋邊墩采用直立式墩，四角外形為圓弧，以利水流順暢，墩身采用1.7 m×1.8 m，承臺為低樁承臺，厚2.50 m，兩排計4Φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；中墩承臺厚2.5 m，雙排計6Φ1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。承臺間設(shè)置系梁，中墩承臺頂設(shè)置拱座。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

本橋空間采用Midas civil 2012程序建立三維有限元模型進(jìn)行計算，全橋共劃分為1 372個節(jié)點(diǎn)，1 519個單元。拱肋、橋道系、樁基均采用空間梁單元，系桿、吊桿采用桁架單元。邊拱上部20 m空心板、橋面鋪裝等按外荷載作用在結(jié)構(gòu)上。樁基按m值法計算，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬。主橋結(jié)構(gòu)離散如圖8所示［3-5］。

4.1 靜力分析

根據(jù)計算，標(biāo)準(zhǔn)組合下，鋼箱拱內(nèi)最大壓應(yīng)力值為92.2 MPa，最大拉應(yīng)力值為41.6 MPa。結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

考慮到本橋橋面以上拱肋之間未設(shè)置風(fēng)撐，為加大拱橋橫向整體剛度，設(shè)計上考慮加大拱間橫梁尺寸。拱間橫梁及吊桿橫梁按部分預(yù)應(yīng)力砼A類構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，控制各個橫梁在短期效應(yīng)組合下不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。經(jīng)過結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力優(yōu)化調(diào)整，拱間橫梁全截面承壓，短期效應(yīng)組合最小正應(yīng)力值為0.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合最大壓應(yīng)力為2.9 MPa；吊桿橫梁短期效應(yīng)組合下最小正應(yīng)力為3.2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合下最大壓應(yīng)力13.6 MPa。計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

汽車活載作用下，主橋中跨最大撓度幅值Δh=33.4 mm，Δh/L=1/2 245.5，滿足規(guī)范要求。

在標(biāo)準(zhǔn)組合下，系桿及吊桿的最小安全系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求。吊桿應(yīng)力幅最大值為278.8 MPa，系桿應(yīng)力幅最大值為46.3 MPa，滿足使用要求。由于傳力路徑的遠(yuǎn)近，內(nèi)側(cè)吊桿（靠近行車道）受力大于外側(cè)吊桿，根據(jù)計算，兩者相差比值最大處為1.25。

4.2 穩(wěn)定分析

穩(wěn)定計算模型汽車活載按照主跨跨中豎向位移最大原則進(jìn)行加載，結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)安全系數(shù)為24.9，為主跨拱肋同向側(cè)傾失穩(wěn)，計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性能。

4.3 動力分析

中承式柔性系桿拱橋結(jié)構(gòu)較柔，從已建成相似橋型來看，大部分橋梁都存在著車橋振動較大的問題，因此，對該類橋梁的動力特性問題必須予以重視[3]。筆者認(rèn)為，解決這一問題的關(guān)鍵問題在于：（1）增大拱肋之間的橫向聯(lián)系；（2）加大橋道系結(jié)構(gòu)的整體剛度。因此，在本橋的設(shè)計中綜合考慮了這兩個措施，加大拱間橫梁的結(jié)構(gòu)尺寸及橋面板在吊桿橫梁處設(shè)置后澆帶來保證橋面板與橫梁固結(jié)成整體，以改善結(jié)構(gòu)的動力特性。本橋分析計算前30階振型中的前10階振型，計算結(jié)果如表1所示。

表1 下官河大橋主橋動力特性

從表1可以看出，主橋前3階均為拱肋面外振動，直到第4階才出現(xiàn)拱橋豎向振動，拱肋的面外自振頻率與面內(nèi)自振頻率之比約為0.79。主橋1階振動頻率及面外與面內(nèi)振動頻率比值相比其它中承式拱橋較大[4-5]，說明本橋整體剛度較大。

4.4 抗震分析

本橋考慮了兩種荷載工況下的地震作用，即橫橋向+豎向地震及順橋向+豎向地震，由計算分析可知，本橋抗震性能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全合理。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，人民生活水平日益提高，現(xiàn)在人們已將人類生存的環(huán)境作為考慮的首要問題，在這種情況下，景觀問題越來越得到重視。因此，橋梁工程師們應(yīng)從結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合景觀的需要，重視對結(jié)構(gòu)外形的研究，盡可能地做到與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。下官河大橋作為連接千垛菜花景區(qū)與李中水上森林公園的重要交通樞紐，主橋利用4跨連拱的形式，在景觀功能上既能融入自然環(huán)境，又可作為對當(dāng)?shù)氐娜宋木坝^起到提升作用的地標(biāo)建筑。本文簡要介紹了主橋的總體布置及各主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，以期能為國內(nèi)同類橋梁的設(shè)計提供參考。

［1］ 楊士金，唐虎翔.景觀橋梁設(shè)計［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003．

［2］ 鄭懷穎，陳寶春.飛鳥式鋼管混凝土拱橋設(shè)計計算分析［J］.公路交通科技，2007（1）：90-94.

［3］ 張連振，黃僑，楊大偉.朝陽市東大橋鋼管混凝土拱橋設(shè)計［J］.公路交通科技，2005（6）：78-81.

［4］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2007：808-820．

［5］申哲會.三肋鋼管混凝土系桿拱橋動力特性分析［J］.公路，2014（7）：150-153.