濟(jì)寧市南二環(huán)路京杭大運(yùn)河連續(xù)鋼桁拱橋設(shè)計(jì)

付祖良,周建林,王曉媚

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101）

濟(jì)寧市南二環(huán)路京杭大運(yùn)河連續(xù)鋼桁拱橋設(shè)計(jì)

付祖良,周建林,王曉媚

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101）

通過對濟(jì)寧市南二環(huán)路京杭大運(yùn)河三主桁連續(xù)鋼桁拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，并與兩主桁連續(xù)鋼桁拱橋的一些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比，三主桁連續(xù)鋼桁拱橋具有很好的應(yīng)用前景。其經(jīng)驗(yàn)可為其他同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供一些借鑒與參考。

連續(xù)鋼桁拱橋；三主桁；屈曲分析；柔性吊桿；正交異性鋼橋面板

0　引言

計(jì)算機(jī)有限元分析軟件的開發(fā)與應(yīng)用，空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析愈來愈精確可靠；鋼材冶煉技術(shù)的發(fā)展與焊接技術(shù)水平的提高，鋼材的各項(xiàng)性能得到了改善，越來越多的橋梁采用鋼桁架空間結(jié)構(gòu)。特別是鋼桁拱橋，以其外形雄壯、自重輕、跨越能力大、承載能力高、裝配程度高等優(yōu)點(diǎn)受到諸多設(shè)計(jì)者青睞，更是越來越多地被應(yīng)用到實(shí)際工程。

1　工程概況

濟(jì)寧市南二環(huán)路京杭大運(yùn)河橋梁工程主橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼桁拱橋（見圖1～圖4），主橋全長360 m，跨徑組合為（81+198+81）m，橋面總寬41 m，由三片主桁組成，主桁中心距17.5 m。桁架節(jié)間距9 m。主跨內(nèi)拱肋下弦采用二次拋物線，下弦拱軸線矢跨比為1/4.292，拱肋上線拱軸線部分線形也采用二次拋物線，與邊跨上弦之間采用半徑為200 m的反向圓曲線進(jìn)行過渡。鋼桁拱上下拱軸線跨中高度為9 m。兩邊跨桁架上下弦中心線間距為13 m。

主桁下弦及系桿采用整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，上弦及拱肋間的連接采用拼裝節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，上下弦桿采用10.9S級高強(qiáng)螺栓兩側(cè)面等強(qiáng)對接拼裝。

主桁上下弦桿采用焊接箱形截面，腹桿采用焊接箱形截面及焊接H形截面。H形桿件寬720 mm，高500 mm、720 mm、900 mm，板厚20～40 mm。箱形桿件寬720～808 mm，高840 mm，板厚20～44 mm。主桁上下弦桿截面均為840 mm×720 mm，邊桁系桿截面尺寸為840 mm×768 mm；中桁系桿截面尺寸為1 160 mm×768mm，中桁系桿豎向板設(shè)計(jì)加勁板。

圖1　主橋總體布置圖

圖2　主跨跨中橫斷面圖（單位：m）

圖3　橋墩處橫斷面圖（單位：m）

圖4　邊跨跨中橫斷面圖（單位：m）

主桁上弦、拱肋上下弦，以及主桁斜腿設(shè)K形平聯(lián)，桿件采用焊接H形構(gòu)件，截面高480 mm，寬580 mm；平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板與主桁節(jié)點(diǎn)板以高強(qiáng)螺栓連接。

每兩個節(jié)間設(shè)置一橫聯(lián)，邊跨橫聯(lián)桁架高4 m，中跨拱肋橫聯(lián)桁架高9～16.2 m，邊墩、主墩處設(shè)置三角形桁架式橋門架。

吊索采用PES（FD）7-55低應(yīng)力防腐索體，每個吊點(diǎn)均采用2根PES7-55平行鋼絲索，采用錨箱結(jié)構(gòu)錨固于拱肋下弦及系桿的節(jié)點(diǎn)。順橋向間距9 m，采用雙吊桿布置以便于后期更換。鋼絲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值σb=1 670 MPa，破斷索力為3 535 kN。吊索錨端型號采用OVMLZM7-55Ⅰ型。

橋面為鋼正交異性橋面板，橋面板厚16 mm，下設(shè)U形縱向加勁肋，間距600 mm，U形加勁肋高280 mm，厚8 mm。設(shè)8道小縱梁，縱梁高400 mm，腹板厚12 mm，下翼緣300 mm×20 mm，腹板上端與頂板焊接；在下弦節(jié)點(diǎn)處及沿橋縱向每3 m設(shè)一道橫梁，橫梁下底面水平，梁高由主桁至橋梁中心線約836～1156 mm，腹板厚20 mm，下翼緣750 mm× 36 mm，橋面板在橫橋向邊桁與中桁之間分為兩段與橫梁焊為一體出廠。工地安裝時(shí)橋面板采用熔透焊接，橫梁腹板和下翼緣采用高強(qiáng)度螺栓連接。

橋墩支座均采用雙曲面球型減隔震支座。一處主墩采用固定支座外，其余墩均為縱向活動，橫向中主桁各支座限制橫向位移，邊主桁各支座橫向活動。

下部結(jié)構(gòu)主墩采用40 m×6 m的圓端形鋼筋混凝土矩形墩，邊墩采用鋼筋混凝土框架墩，設(shè)6根尺寸為2 m×2 m的墩柱，墩頂蓋梁尺寸為41 m× 3 m，厚2 m。主墩承臺尺寸為41 m×13 m，厚3.5 m，基礎(chǔ)采用3×7根直徑1.8 m的群樁。邊墩承臺尺寸為42.5 m×6.5 m，厚3.0 m，基礎(chǔ)采用2×9根直徑1.5 m的群樁。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁結(jié)構(gòu)采用技術(shù)指標(biāo)：

（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（2）設(shè)計(jì)安全等級：一級。

（3）結(jié)構(gòu)混凝土耐久性：Ⅰ類環(huán)境。

（4）道路等級：城市快速路。

（5）航道等級：內(nèi)河ⅠⅠ級航道。

（6）橋梁設(shè)計(jì)荷載：車行道：公路Ⅰ級，8車道；人群荷載：3.0 kPa；欄桿單側(cè)3.0 kN/m。

（7）設(shè)計(jì)車速：80 km/h。

（8）設(shè)計(jì)橫坡：2%。

（9）設(shè)計(jì)縱坡：主線：立交范圍內(nèi)最大2%，立交范圍外最大3%，最小0%。

（10）橋下凈空：河道部分按ⅠⅠ級河道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，凈高7 m；凈寬70 m；道路部分機(jī)動車道凈高5.0 m，人行部分凈高2.5 m。

（11）河堤防洪標(biāo)準(zhǔn)：100 a一遇；橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率采用300 a一遇。

（12）地震烈度：地震基本烈度為6度，橋梁抗震設(shè)防分類為甲類，抗震措施按7度設(shè)防。

3　主要材料

主桁及橋面系鋼材：Q370q-E。

聯(lián)結(jié)系鋼材：Q345q-E。

輔助結(jié)構(gòu)鋼材：Q345q-E，橋面板下的U形肋允許采用Q345q-E，但與橋面板Q370q-E焊接的各項(xiàng)性能要達(dá)到Q370q-E的水平。

高強(qiáng)度螺栓：采用10.9S級M24、M27高強(qiáng)度螺栓，35VB材質(zhì)。

鋼材材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB714-2008）和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002. 2-2005）的規(guī)定辦理；Q345q-E與Q370q-E的交貨狀態(tài)為正火。主桁下弦及系桿的節(jié)點(diǎn)板需滿足Z35要求，并且在施焊前焊縫區(qū)域范圍需探傷，確保沒有缺陷。

4　結(jié)構(gòu)建模

橋梁采用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行建模分析，弦桿、腹桿及縱橫梁均采用梁單元模擬，橋面板采用平面應(yīng)力板單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬（見圖5）。

圖5　單元模型

計(jì)算荷載：

（1）恒載：

一期恒載：鋼材容重78.5 kN/m3，主桁、聯(lián)結(jié)系及橋面系鋼材按照實(shí)際重量的1.25倍加載。

二期恒載：橋面鋪裝、車行道護(hù)欄及人行道護(hù)欄按2 kN/m2考慮。

（2）支座沉降：支座不均勻沉降按主墩1.5 cm、邊墩1.0 cm考慮。

（3）活載：強(qiáng)度驗(yàn)算按照雙向8車道驗(yàn)算。車道縱向折減系數(shù)取0.96，沖擊系數(shù)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）的規(guī)定計(jì)算。

（4）溫度影響力：整體升降溫：體系升溫按+40℃考慮，體系降溫按-40℃考慮。

（5）風(fēng)力：與活載組合時(shí)，橋面風(fēng)速按25 m/s考慮。

（6）汽車制動力：按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）4.3.6條加載。

（7）荷載組合：

成橋階段主要考慮以下荷載組合：

荷載組合1：恒載+活載+基礎(chǔ)不均勻沉降。

荷載組合2：恒載+活載+基礎(chǔ)不均勻沉降+活載風(fēng)+體系升溫+制動力。

荷載組合3：恒載+活載+基礎(chǔ)不均勻沉降+活載風(fēng)+體系降溫+制動力。

荷載組合4：恒載+基礎(chǔ)不均勻沉降+100 a一遇風(fēng)荷載。

荷載組合1為主力組合，荷載組合2～4為主力+附加力組合。荷載組合1容許應(yīng)力提高系數(shù)為1.0，荷載組合2～4容許應(yīng)力提高系數(shù)為1.2［1］。

5　計(jì)算分析

節(jié)間長度通常要考慮斜桿的角度，斜桿的角度一般在45°～60°之間，這樣斜桿受力較好，便于安裝。主桁節(jié)點(diǎn)編號如圖6所示。

5.1桿件內(nèi)力計(jì)算

圖6　1/2主桁立面示意圖

桿件內(nèi)力計(jì)算主要考慮桿件在各荷載最不利組合下的最大、最小軸力。限于篇幅，表1中僅列出主桁桿件控制內(nèi)力。

5.2桿件應(yīng)力與穩(wěn)定性計(jì)算

主桁各桿件軸力以拉為正，以壓為負(fù)。對各桿件的強(qiáng)度及受壓桿件的總體穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，使其滿足《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范TB 10002.2- 2005》4.2條的要求。對于主桁中C7E7桿件，由于桿件較短，在剛接條件下，桿件產(chǎn)生的次應(yīng)力較大，通過保持桿件截面面積不變的條件下，增大腹板和翼緣板的厚度，減小翼緣板的寬度，從而減小桿件的側(cè)向剛度。由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，各桿件強(qiáng)度應(yīng)力及桿件總穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

在運(yùn)營狀態(tài)下，邊主桁單根吊索最大拉力為535 kN，中主桁單根吊索最大拉力為806 kN。單根吊索的最大拉應(yīng)力為380.9 MPa，應(yīng)力幅為155 MPa，安全系數(shù)大于3.0。

5.3支座反力計(jì)算

支座豎向反力計(jì)算時(shí)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合，且汽車荷載計(jì)入沖擊系數(shù)（見表2～表4）。

根據(jù)以上結(jié)果可知，支座選取為邊墩支點(diǎn)5 000 kN球型減隔震支座，中墩支點(diǎn)為35 000 kN球型減隔震支座，支座反力在選擇支座承載力范圍內(nèi)。固定（GD）支座各向、縱向活動，（ZX）支座橫橋向、橫向活動，（HX）支座縱橋向的極限水平力為不小于支座豎向設(shè)計(jì)承載力的20%。

表1　主桁控制內(nèi)力表

表2　主橋支座豎向反力表（單位：kN）

表3　主橋支座縱向反力表（單位：kN）

表4　主橋支座橫向反力表（單位：kN）

5.4位移計(jì)算及預(yù)拱度設(shè)置

由汽車荷載（不計(jì)沖擊力）和人群荷載所產(chǎn)生的最大撓度值，邊跨和中跨均滿足規(guī)范中f＜L/800的要求。計(jì)算結(jié)果如表5所列。

表5　活載作用下?lián)隙缺恚▎挝唬簃m）

預(yù)拱度設(shè)置采用如下方法：邊跨不設(shè)置預(yù)拱度，因?yàn)楹爿d和靜活載作用下邊跨的撓度小于L/1600；C10、C11節(jié)點(diǎn)采用向上移動節(jié)點(diǎn)位置；中跨桁拱采用減小吊桿長度設(shè)置預(yù)拱度。根據(jù)恒載+1/2靜活載撓度組合計(jì)算結(jié)果分別設(shè)置預(yù)拱度。主跨邊主桁跨中最大預(yù)拱度為176 mm，中主桁跨中最大預(yù)拱度為194 mm。

主橋邊墩支座最不利組合下的縱向位移最大值為239 mm，最小值為-51 mm。伸縮縫選用RBKF480G型單元式多向變位梳形板伸縮裝置。

5.5橫向剛度

桁寬是決定橋梁的橫向剛度的重要指標(biāo)，主桁中心距不得小于跨度的1/20［1］，該橋主桁中心距為2×17.5=35（m）≥198/20=9.9（m），符合要求。

5.6連接計(jì)算

主桁桿件采用高強(qiáng)度螺栓連接或拼接，其螺栓數(shù)量按連接桿件的承載能力計(jì)算。當(dāng)腹桿為最小截面控制時(shí)，其連接螺栓數(shù)量按1.1倍的桿件內(nèi)力與75%的桿件凈面積強(qiáng)度的較大值進(jìn)行計(jì)算。桿件的肢僅一面有拼接板時(shí)，其螺栓數(shù)量應(yīng)增加10%。主桁受拉桿件凈面積，較被拼接部分的凈面積大10%。受壓桿件的拼接板有效面積（φ1Am）應(yīng)大于被拼接壓桿有效面積的10%。節(jié)點(diǎn)板任何連接截面的撕破強(qiáng)度，應(yīng)較各被連接桿件的強(qiáng)度至少大10%［2］。

5.7整體穩(wěn)定性計(jì)算（線性屈曲分析，見圖7）

采用MⅠDAS Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性計(jì)算，其中恒載包括結(jié)構(gòu)自重和二期恒載，營運(yùn)荷載中，汽車活載按“公路Ⅰ級”取，汽車荷載為8車道，車道折減系數(shù)為0.5；人群荷載按3 kN/m2取值。

圖7　一階屈曲模態(tài)

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)K定義為pcr/pT，其中pcr為結(jié)構(gòu)的極限承載力，pT在成橋狀態(tài)為結(jié)構(gòu)自重與營運(yùn)活載最不利荷載作用之和［3］，實(shí)際上K為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力時(shí)關(guān)于pT的加載倍數(shù)。

在假定主桁節(jié)點(diǎn)剛結(jié)的條件下，對全橋進(jìn)行靜力穩(wěn)定分析，所得一階屈曲安全系數(shù)為18.7，其失穩(wěn)形式為主拱面外失穩(wěn)，滿足拱橋的整體穩(wěn)定安全系數(shù)K大于4～5的要求［1］。

6　三主桁與兩主桁連續(xù)鋼桁拱橋?qū)Ρ?/h2>

京杭大運(yùn)河鋼桁拱橋（三主桁）總長360 m，主跨198 m，總寬41 m，總用鋼量11 170.73 t，平均用鋼量為756.82 kg/m2。在最不利工況（恒載+活載+橫向風(fēng)荷載）下的主墩最大單支座反力為29 359 kN，約占橋梁總恒載支反力的21.3%。

柳州維義大橋（兩主桁）總長504 m，主跨288 m，總寬43.5 m［4］，總用鋼量16 172.267 t，平均用鋼量為737.65 kg/m2。在最不利工況（恒載+活載+橫向風(fēng)荷載）下的主墩最大單支座反力為58 848 kN，約占橋梁總恒載支反力的28%。

7　結(jié)語

（1）三主桁連續(xù)鋼桁拱橋外形美觀，跨越能力大，內(nèi)力分布較為合理，比較適合橋?qū)捿^大的橋梁。對于雙向8車道以上橋梁，同一橋墩采用三支座受力比兩主桁鋼桁拱橋采用兩支座支承為好，單個支座最大支反力可減小約30%，支座型號減小，對墩頂局部承壓有利。但結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)與桿件拼裝要比兩主桁鋼桁拱橋略復(fù)雜。

（2）桿件整體穩(wěn)定性分析及局部穩(wěn)定性分析表明，結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)主要受穩(wěn)定性控制，應(yīng)力不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。橫向聯(lián)結(jié)系桿件截面設(shè)計(jì)主要受桿件長細(xì)比控制。

（3）鋼桁架拱橋拱圈合龍前，施工階段抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算可通過定義材料自重系數(shù)為不小于1.3倍的方法驗(yàn)算，保證橋臺支反力不出現(xiàn)負(fù)值即可，操作簡單方便。

（4）汽車活載相對橋梁結(jié)構(gòu)恒載產(chǎn)生的內(nèi)力較小，產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力幅小，結(jié)構(gòu)抗疲勞應(yīng)力驗(yàn)算一般滿足規(guī)范要求。

（5）采用柔性雙吊桿受風(fēng)荷載影響較小，便于吊桿內(nèi)力及橋面線型的調(diào)整，也便于后期的吊桿維護(hù)更換，相比采用剛性吊桿便于施工。

［1］ TB10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.

［2］ TB10002.2-2005，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 周可夫，葉見曙，李萬恒，程壽山，傅宇方.鋼桁拱橋穩(wěn)定分析［J］.公路，2012，（3）：38-41.

［4］ 胡濤，易倫雄.柳州市維義大橋主橋設(shè)計(jì)與施工［J］.橋梁建設(shè)，2010，（5）：39-42.

U442.5

B

1009-7716（2015）05-0076-05

2015-01-09

付祖良（1981-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。