大治河西樞紐二線船閘金魯公路橋主橋設(shè)計(jì)

甄羨超，田利勇

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

大治河西樞紐二線船閘金魯公路橋主橋設(shè)計(jì)

甄羨超，田利勇

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200061）

金魯公路橋主橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋。詳細(xì)論述主橋的總體設(shè)計(jì)、構(gòu)造特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)力計(jì)算。采用空間有限元方法建立了主橋結(jié)構(gòu)分析體系，通過不同荷載組合，分析了鋼管混凝土拱肋的應(yīng)力和內(nèi)力情況。結(jié)果表明，鋼管混凝土拱肋在承載狀態(tài)下，其應(yīng)力分布合理，且強(qiáng)度滿足要求?？紤]到該種結(jié)構(gòu)存在車橋振動(dòng)較大的問題，結(jié)構(gòu)分析中著重計(jì)算了自振特性及抗震。最后結(jié)合該工程給出相關(guān)結(jié)論與建議。

鋼管混凝土拱橋；下承式拱橋；結(jié)構(gòu)分析；穩(wěn)定分析

1工程概況

大治河西樞紐是“大蘆線”大治河段西段入黃浦江航道的重要控制口門，為進(jìn)一步提高“大蘆線”航運(yùn)能力，擬在西樞紐南側(cè)新建二線船閘。船閘鄰近西樞紐水閘，實(shí)地開挖，中斷了現(xiàn)狀金魯公路。該橋設(shè)計(jì)主要為了重新連通金魯公路，橋梁建成后北側(cè)將與西樞紐水閘交通橋連接起來，南側(cè)直接與金魯公路銜接。橋梁主跨跨越新建船閘閘室。主跨上部結(jié)構(gòu)為44.06m的下承式系桿拱橋，引橋?yàn)楹?jiǎn)支空心板梁，橋梁總長(zhǎng)238.17m。橋址場(chǎng)地地形平坦，地貌類型為濱海平原。

2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)

汽車荷載：公路—Ⅱ級(jí)；

人群荷載：3.0kN/m2。

（2）橋面寬度

主橋：總橋?qū)?5.6m；斷面布置：0.3m（人行道欄桿）+2.5m（人行道）+1.2m（吊桿保護(hù)帶）+0.3m（機(jī)動(dòng)車道欄桿）+7m（機(jī)動(dòng)車道）+0.3m（機(jī)動(dòng)車道欄桿）+1.2m（吊桿保護(hù)帶）+2.5m（人行道）+0.3m（人行道欄桿）=15.6m。

15.6m寬引橋：0.3m（欄桿）+15m（機(jī)動(dòng)車道）+ 0.3m（欄桿）=15.6m。

7.8m寬引橋：0.4m（欄桿）+7m（機(jī)動(dòng)車道）+ 0.4m（欄桿）=7.8m。

3.1m寬梯道：0.3m（欄桿）+2.5m（人非混合道）+0.3m（欄桿）=3.1m。

（3）縱坡與橫坡

縱坡：主橋?yàn)槠狡?；北?cè)引橋i=6.54%，南側(cè)引橋i=5.00%。

橫坡：機(jī)動(dòng)車道設(shè)雙向1.5%，人非混合道設(shè)單向1.5%。

（4）地震基本烈度：按地震烈度7度設(shè)防，抗震設(shè)防類別為C類，抗震措施為7度。

（5）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（6）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：主橋一級(jí)，構(gòu)件重要系數(shù)為1.1；引橋?yàn)槎?jí)，構(gòu)件重要系數(shù)為1.0。

（7）通航等級(jí)：三級(jí)航道，通航孔凈高為7m（按照全閘室斷面寬度控制）。

3　主橋設(shè)計(jì)

3.1橋型選擇

主橋跨越船閘閘室，北引橋與現(xiàn)狀西閘交通橋銜接，主橋梁底高程及縱坡所受限制大，推薦采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋。鋼管混凝土橋結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，跨越能力大，結(jié)構(gòu)體系靈活多樣，外形優(yōu)美，因此倍受橋梁工程界青睞。系桿拱作為一種無推力拱，能夠很好地適應(yīng)軟土地基。

初步設(shè)計(jì)階段考慮了下承式系桿拱橋和鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋方案，綜合各方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最后確定下承式系桿拱橋?yàn)橥扑]方案。表1為橋型方案比選表。

3.2總體布置

金魯公路橋南側(cè)與現(xiàn)狀金魯公路順接，北側(cè)與現(xiàn)狀節(jié)制閘閘上公路橋銜接。為了降低船閘運(yùn)行與橋梁的相互影響，交通橋橋墩與閘墻分離，橋墩布置在閘墻后側(cè)。經(jīng)布置，主橋橋長(zhǎng)44.06 m，計(jì)算跨徑41.8 m。圖1為主橋橋型立面圖。

表1　金魯公路橋主橋方案綜合比較表

該工程受北側(cè)接坡長(zhǎng)度限制，交通橋梁底高程不增加額外富余超高，按現(xiàn)狀設(shè)計(jì)通航水位可滿足Ⅲ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到遠(yuǎn)期外河黃浦江水情有趨高的趨勢(shì)，外河通航最高水位也可能出現(xiàn)抬升，為確保遠(yuǎn)期船閘通航安全及減少?gòu)U棄工程，該工程交通橋主跨預(yù)留頂升的余地。

3.3橋面系

橋面系橫橋向?qū)挾?5.6 m，由橫梁、現(xiàn)澆橋面板、橋面鋪裝、欄桿等形成橋面體系。

橫梁包括中橫梁和端橫梁2種。中橫梁采用C50的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，中橫梁間距5 m，高度0.8 m，寬度0.7 m，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。拱腳設(shè)置強(qiáng)大的端橫梁，采用C50的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁寬1.97 m，高度1.8 m。橋面板厚0.20 m。由于橋梁縱坡較大，橋面鋪裝采用80 mm抗滑瀝青混凝土。

3.4拱圈、風(fēng)撐、吊桿和系梁設(shè)計(jì)

全橋采用2個(gè)圓形截面鋼拱肋，每個(gè)拱肋直徑1.0 m，橫橋向豎直布置。全橋設(shè)三道風(fēng)撐，采用“一”字形圓形鋼管風(fēng)撐，風(fēng)撐直徑0.6 m。

吊桿選用55Φ7低松弛鍍鋅鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 670 MPa），錨具為L(zhǎng)ZM-55冷鑄錨具。

系梁為高1.0 m，寬1.0 m的實(shí)心矩形斷面，系梁內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力以平衡拱肋產(chǎn)生的水平推力。

3.5下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩采用雙柱式橋墩，立柱直徑2.0 m，柱間設(shè)聯(lián)系梁，聯(lián)系梁高1.6 m，寬1.2 m；承臺(tái)呈實(shí)體長(zhǎng)方體布置，整體長(zhǎng)15.3 m，寬4.5 m，厚2.2 m；基礎(chǔ)采用10根樁徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)45 m。

圖1　主橋橋型立面圖（單位：mm）

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1建立計(jì)算模型

該橋結(jié)構(gòu)體系采用自錨式鋼管混凝土拱橋，以抗壓能力強(qiáng)的鋼管混凝土作為拱肋，以抗拉能力強(qiáng)的鋼絞線作為系桿，隨著結(jié)構(gòu)重量的增加逐步張拉系桿以平衡拱肋所產(chǎn)生的巨大水平力，最終形成對(duì)拱座只有較小推力的拱橋［1，2］?？傮w來說，剛性拱柔性梁結(jié)構(gòu)，其橋面剛度相比拱肋要小得多，拱肋為主要受力構(gòu)件。

根據(jù)其受力特點(diǎn)，考慮主要方面（包括橋面系提供給兩邊拱肋的剛度及鋼筋混凝土內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋等），對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化（如未考慮普通鋼筋的影響，橋面鋪裝按二期荷載加載等），通過MⅠDAS CⅠVⅠL（2013）建立主橋空間計(jì)算模型（見圖2）。主橋計(jì)算模型共劃分為387個(gè)節(jié)點(diǎn)、14個(gè)桁架單元（吊桿）和575個(gè)梁?jiǎn)卧ü袄?、系梁、橫梁及虛擬縱梁）。

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系形成過程及施工方案，按施工步驟進(jìn)行建模，考慮自重、二期恒載、溫度力、汽車荷載及人群荷載等在內(nèi)的多種計(jì)算荷載，并考慮混凝土收縮徐變（包括鋼管內(nèi)混凝土）的因素，按規(guī)范要求進(jìn)行荷載組合。

圖2　主橋上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

4.2上部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算與分析

4.2.1拱肋驗(yàn)算

鋼管在施工階段以及在使用階段彈性組合狀態(tài)下上、下緣的最大應(yīng)力為-81.6 MPa，小于-270 MPa，且混凝土最大應(yīng)力為-4.38 MPa，亦小于規(guī)范容許值-23.1 MPa，可見該橋拱圈鋼管混凝土在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力均滿足要求。

由表2可以看出，該橋在運(yùn)營(yíng)階段N0/（γ0N）值均大于1，可見該橋在運(yùn)營(yíng)階段拱肋鋼管混凝土強(qiáng)度滿足要求。

表2　鋼管混凝土運(yùn)營(yíng)階段強(qiáng)度驗(yàn)算表

4.2.2吊桿計(jì)算

該橋吊桿采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa的高強(qiáng)鋼絞線，吊桿型號(hào)為L(zhǎng)ZM7-55。計(jì)算結(jié)果表明，正常使用極限狀態(tài)吊桿最大應(yīng)力為449.7 MPa，小于0.33倍高強(qiáng)鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，即551.1 MPa，吊桿應(yīng)力均滿足要求。

4.2.3系梁應(yīng)力驗(yàn)算

系梁在彈性階段全截面受壓，上緣最大壓應(yīng)力為14.6 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為6.2 MPa。C50混凝土容許壓應(yīng)力為23.1 MPa，故系梁應(yīng)力滿足要求。

4.2.4撓度驗(yàn)算

在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段，拱圈最大下?lián)隙葹?2 mm。拱形鋼結(jié)構(gòu)最大豎向位移計(jì)算值不應(yīng)超過其跨度的1/400。該橋拱圈跨徑為41.8 m，容許撓度為104.5 mm，富裕度較大。

4.3穩(wěn)定性計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)在外力增加到某一量值時(shí)，穩(wěn)定的平衡狀態(tài)開始喪失，稍有擾動(dòng)則變形迅速增大，致使結(jié)構(gòu)失去正常工作能力的現(xiàn)象。拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題應(yīng)該重視［3］，為此對(duì)成橋穩(wěn)定進(jìn)行了空間分析。通過求解結(jié)構(gòu)特征值方法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，最終計(jì)算結(jié)果為：主橋在全部設(shè)計(jì)荷載作用下，安全系數(shù)為18.7＞4，為面外扭傾失穩(wěn)形式，主橋穩(wěn)定性滿足要求。

4.4動(dòng)力特性計(jì)算與分析

運(yùn)用MⅠDAS CⅠVⅠL（2013）對(duì)主橋建立整體結(jié)構(gòu)模型，包括上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確模擬上、下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布。

使用分層文克爾土彈簧模型模擬樁基礎(chǔ)。將土層分層簡(jiǎn)化為文克爾彈簧，假定樁土之間的相互作用力與深度和樁身水平位移的乘積成正比，將群樁基礎(chǔ)中的每排樁視為彈性地基梁，樁土之間的相互作用由彈簧對(duì)梁的水平彈性支撐來實(shí)現(xiàn)。據(jù)此可得：

式中：Ki為每層土彈簧的勁度系數(shù)；hi為每層土的厚度。

圖3　主橋動(dòng)力分析有限元計(jì)算模型

4.4.1動(dòng)力特性分析

為改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，該橋設(shè)計(jì)加大了橋面系的剛度，拱肋之間設(shè)置橫撐。動(dòng)力特性分析結(jié)果見表3。

表3　成橋狀態(tài)動(dòng)力特性表

4.4.2地震作用分析

以下為該橋地震資料。

（1）場(chǎng)地特征周期Tg：0.35 s；

（2）橋梁類型：C類；

（3）設(shè)防烈度：7度設(shè)防；

（4）場(chǎng)地類別：2類。

采用地震加速度反應(yīng)譜理論進(jìn)行自震特性分析，并對(duì)拱肋各控制截面由地震作用所產(chǎn)生的效應(yīng)與汽車荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

由表4對(duì)比可知，地震作用下對(duì)鋼管混凝土拱肋各控制截面產(chǎn)生的效應(yīng)值均小于汽車荷載的效應(yīng)值，因此地震作用不控制設(shè)計(jì)。

表4　地震作用及汽車荷載效應(yīng)對(duì)比表

5　結(jié)語(yǔ)

（1）下承式系桿拱橋能使橋梁建筑高度盡量減小，在縱坡、梁底高程受限的情況下，是中、大跨徑橋梁較有競(jìng)爭(zhēng)力的一種橋型。

（2）橋面系承受的荷載主要通過吊桿來傳遞到拱肋上，因此吊桿的防腐和維護(hù)是及其重要的，系桿拱橋應(yīng)重視吊桿的防腐和防疲勞破壞設(shè)計(jì)。

（3）利用空間有限元建模分析橋梁，能夠建立較為完整、統(tǒng)一的橋梁結(jié)構(gòu)分析體系，相對(duì)準(zhǔn)確地反映橋梁結(jié)構(gòu)的承載形態(tài)。由模態(tài)結(jié)果來看，金魯公路橋作為系桿拱橋，屬于較柔性結(jié)構(gòu)，其橫向振動(dòng)及穩(wěn)定性問題較為突出，橋梁施工及運(yùn)行維護(hù)時(shí)應(yīng)當(dāng)重視。

［1］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］ 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］. 北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 張建民，鄭皆連.拱橋穩(wěn)定性研究與發(fā)展［J］.廣西交通科技，2000，25（增刊S1）：1-7.

U442.5

B

1009-7716（2015）05-0081-04

2015-01-06

甄羨超（1989-），男，廣東臺(tái)山人，助理工程師，從事道橋工程設(shè)計(jì)工作。