朔州市安泰街大橋主橋結構設計

丁文俊

（同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海市200092）

朔州市安泰街大橋主橋結構設計

丁文俊

（同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海市200092）

重點介紹了山西省朔州市安泰街跨七里河的一座重要城市景觀橋梁-安泰街大橋的結構設計和計算分析。該橋主橋采用三跨桁架拱梁組合體系，主拱采用內傾式無風撐結構，斜拉索扇形布置，橋梁造型新穎美觀。通過靜力、穩(wěn)定和疲勞計算分析，驗證了該設計方案的合理性及安全性，可為同類橋型設計提供參考。

拱梁組合體系；結構設計；計算分析；內傾式無風撐結構

1 設計概要

安泰街橋是山西省朔州市七里河景觀改造工程的重要節(jié)點，是七里河休閑公園與北部新城區(qū)連接的紐帶，也是未來交通量和人群較為密集的區(qū)域。根據(jù)七里河橋梁群規(guī)劃設計，安泰街橋位于整個橋梁群核心位置，橋梁設計方案應采用具有一定體量且具有較為新穎的橋梁造型作為整個城市的地標。

橋型方案采用桁架拱梁組合體系，拱肋為上下兩片，用桁架連接為一體，形成鏤空的拱肋空間，結合扇形拉索、現(xiàn)代感十足的拱肋線條，猶如一幅獨特的時尚空間剪紙畫，將成為朔州市七里河上的一大亮點與標志。其效果圖見圖1所示。

圖1 朔州市安泰街橋效果圖

2 結構設計

安泰街橋主橋采用三跨連續(xù)中承式鋼桁拱梁組合體系，主拱為內傾式無風撐結構，橋梁造型新穎、美觀，主橋跨徑布置40.0 m+128.0 m+40.0 m =208.0 m，引橋采用預應力混凝土連續(xù)梁結構，西側引橋跨徑布置為3×30 m=90 m，東側引橋跨徑布置為4×30 m=120 m。橋型布置見圖2所示。

圖2 橋梁總體立面布置圖（單位：m）

主橋總寬44.5 m，主橋斷面布置為3.0 m拱肋吊桿區(qū)+3.25 m人行道+4 m非機動車道+0.5 m綠化帶+23 m機動車道+4 m非機動車道+0.5 m綠化帶+3.25m人行道+3.0m拱肋吊桿區(qū)=44.5m。圖3為橋梁標準橫斷面。

圖3 主橋標準橫斷面布置圖（單位：m）

主橋拱肋為內傾拱肋，傾斜角度為10°。拱肋包括中拱肋、邊拱肋和副拱肋。根據(jù)景觀特點，中拱肋與副拱肋拱軸線采用樣條曲線，邊拱肋采用圓曲線。在拱肋平面內，中拱肋拱軸線矢高32.0 m，橋面以上拱肋高19.757 m，中拱跨徑128.0 m，邊拱肋拱軸線矢高9.5 m，跨徑為40.0 m，副拱根據(jù)控制點采用樣條曲線進行擬合。中拱肋截面采用箱形截面，中拱肋截面高度為1.759～2.327 m，寬度為2.2m。副拱采用箱形截面，截面高度為1.5m，截面寬度為2.2 m。中拱肋與副拱肋在拱頂形成一個整體箱形斷面。邊拱肋截面采用箱形截面，拱腳端拱肋截面高度為2.54 m，寬度為2.2 m，拱頂端截面高度為1.8 m，寬度為2.2 m。邊拱肋與副拱肋在橋梁端部形成整體箱形斷面。邊拱肋、中拱肋在中支點處采用箱型腹桿連接，截面高2.2 mm，寬1.3m，其他腹桿均采用王字型截面，截面高2.2m，翼緣寬0.8～1.0 m。

橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板板厚為16 mm，加勁肋采用U型加勁肋。跨中橋面荷載由橫梁傳遞到系梁上，跨中橫梁間距為6.0 m，橫梁之間設置一道橫向加勁肋，橫梁采用工字型截面，截面高度由1.832 m漸變到3.0 m。

主梁與拱肋相交處設置中間橫梁，中間橫梁采用箱形截面，截面寬度為3.55 m，截面高度由1.8 m漸變到2.097 m。

墩頂橫梁采用桁架式門架結構，所有桿件均采用箱形截面，橫梁腹板間距為1.175 m，截面高度由1.502 m漸變?yōu)?.8 m。其余中間橫梁采用工字型截面，截面高度分別為3.0～4.2 m。端橫梁采用箱形截面，截面腹板間距為2.0 m，截面高度由1.93 m漸變到2.5 m，內部設置壓重混凝土，壓重混凝土總重不小于450 t。

橫梁間共設置三道小縱梁，縱梁截面采用工字型截面，截面高度為1.2 m，在中間橫梁、墩頂橫梁和端橫梁處分別漸變?yōu)?.8 m、2.2 m和2.5 m。

主橋共設置15對吊桿，吊桿成扇形布置，系梁上吊桿間距為6.0 m，拱肋上吊桿間距為3.0 m。吊桿安全系數(shù)為3.0，拉索設置365 mm橫向偏心。拱肋與系梁內吊桿均為錨固端，在吊桿中間進行張拉，拱肋內吊桿錨頭采用熱鑄錨具，錨固結構采用耳板的結構形式。錨固結構的傳力路徑為：吊桿→中間豎向耳板→拱肋T型加勁肋→橫隔板→拱肋腹板。系梁處吊桿錨頭采用熱鑄錨具，錨固結構采用耳板的結構形式。錨固結構的傳力路徑為：吊桿→中間豎向耳板→橫隔板→系梁腹板。

主橋拱座采用橢圓形變截面拱座，拱座頂截面尺寸為4.5 m×7.5 m，拱座底尺寸為6.0 m× 9.0 m，拱座高2.5 m，拱座下設置矩形承臺，承臺高3.0 m，承臺長15.5m，寬11.5 m。承臺下采用12根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁。

主橋鋼橋面鋪裝采用70 mm厚的瀝青鋪裝，鋪裝結構為50 mm厚SMA10+20 mm厚R A05+ E B C L層。

該橋的主要技術難點和關鍵點在于拱肋為內傾式無風撐結構、拱肋和系梁及橫梁相交節(jié)點，中邊拱肋和腹桿相交節(jié)點。主橋采用無推力結構，主墩處設置支座，由于拱肋為內傾式無風撐結構，因此主橋在荷載作用下橫向位移較大且整體穩(wěn)定性較差。設計在主墩處設置桁架式橫向門架（見圖4），增加了主橋的橫向剛度和整體穩(wěn)定性，從而達到設計要求。拱肋和系梁及橫梁相交節(jié)點處，設計保證系梁和拱肋的整體節(jié)點板連通，中間箱型橫梁端焊與拱肋系梁內側節(jié)點板上，焊縫采用全熔透外貼角焊縫以保證有足夠的強度和疲勞性能。中邊拱肋和腹桿相交節(jié)點處，設計將中邊拱肋和腹桿的腹板組成整體節(jié)點板，腹桿側板貫通端承于支承板上，拱肋頂?shù)装宸謩e端焊于腹桿側板，側板設置加勁與拱肋頂?shù)装鍖?，增加腹桿側板面外剛度。

圖4 墩頂拱間桁架式門架設計圖（單位：m）

3 結構計算

3.1 主要技術參數(shù)

3.1.1 設計標準

（1）道路等級：城市次干路；

（2）設計速度：40 km/h；

（3）設計荷載：城-A級，人群荷載：按《城市橋梁設計規(guī)范》（CJJ 11-2011）[1]第10.0.5條規(guī)定選用；

（4）設計基準期和設計安全等級：

設計基準期：100 a；

設計使用年限：100 a；

設計安全等級：一級，γ0＝1.1；

（5）抗震等級：地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.15 g，設計特征周期為0.55 s，橋梁抗震設防分類為乙類；

（6）百年一遇基本風速：32.6 m/s。

3.1.2 主要設計荷載

（1）一期恒載包括：主拱、主梁、拱座和承臺自重，結構根據(jù)截面自動計入重量，鋼結構橫隔板及加勁肋按鋼結構自重的20%計入，鋼材材料容重為78.5 k N/m3，混凝土材料容重為26 k N/m3，端橫梁內填充壓重混凝土，壓重混凝土等效集度為130k N/m。

（2）二期恒載：瀝青混凝土容重為23 k N/m3；防撞欄：10 k N/m/側，人行道：20k N/m/側。

（3）活載：雙向6車道，采用空間加載，車道折減系數(shù)及沖擊系數(shù)自動計入；人群荷載集度為2.85 k N/m2。

（4）靜風荷載按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（J T G D60-2015）[2]取用，百年一遇基本風速為32.6 m/s。

（5）邊支座沉降按15mm計入，中支座按30mm計入。

（6）鋼結構的整體升降溫：體系升溫：30℃，體系降溫：40℃；鋼梁梯度升降溫按照歐洲規(guī)范1991-1-5[3]取值，如圖5所示。

圖5 鋼結構梯度溫度圖示

3.1.3 主要荷載組合

根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（J T G-D64-2015）[4]，鋼結構構件需按承載能力極限狀態(tài)驗算強度和穩(wěn)定性；作用組合效應設計值按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（J T G-D60-2015）[2]規(guī)定取值。

3.2 靜力計算分析

3.2.1 計算模型

主橋靜力計算模型采用M id a s/C i v i l2012 V8. 0.5建立。拱肋、橫梁、縱梁及腹桿采用梁單元進行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元進行模擬，全橋共871個單元。模型邊界約束根據(jù)支座類型進行設置，鋼結構材料采用Q345，拱座采用C40混凝土，承臺及系梁采用C35混凝土。計算采用k N、m制，應力單位為MPa，有限元模型如圖6所示。

圖6 主橋有限元計算模型

3.2.2 靜力分析結構

吊桿采用吊桿運營階段標準組下吊桿最大應力分別為σ=473 MPa=fpk/3.9大于2.5，疲勞荷載計算模型I下，ΔσP=56 MPa≤K s·ΔσD/γMf=137/1.35= 101（MPa），滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范[4]要求，對荷載基本組合下，考慮剪力滯、整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定下的鋼結構應力計算分析，結果見表1所列。

表1 主要鋼結構構件應力匯總表MPa

3.2.2 穩(wěn)定計算分析

該橋采用的無風撐桁架拱結構，橋梁的穩(wěn)定問題更為突出。計算穩(wěn)定荷載采用λ恒載+λ活載+λ風荷載，經計算橋梁整體穩(wěn)定失穩(wěn)模態(tài)以自由段拱肋彎扭失穩(wěn)為主，穩(wěn)定系數(shù)為21.1，滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)模態(tài)如圖7所示。

圖7 主拱一階失穩(wěn)模態(tài)

3.2.3 疲勞計算分析

根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（J T G D64-2015）[4]5.5.1條，承受汽車荷載的結構構件與連接，應按疲勞細節(jié)類別進行疲勞驗算。該橋選取如下構造細節(jié)進行驗算。

（1）頂?shù)装?、腹板橫向連接焊縫；

（2）U肋摩擦型雙面H T B拼接；

（3）縱肋與面板間的角焊縫；

（4）橫肋腹板缺口最小截面。

細節(jié)（1）疲勞檢算荷載采用疲勞荷載計算模型I，細節(jié)（2）～細節(jié)（4）疲勞檢算荷載采用疲勞荷載計算模型III。根據(jù)計算，細節(jié)（1）的荷載應力幅小于常幅疲勞極限，細節(jié)（2）～細節(jié)（4）的等效常值應力幅小于常幅疲勞極限，滿足規(guī)范要求。算分析，表明在施工和運營過程中，橋梁結構的受力都能滿足相應規(guī)范要求。

4 結語

本文簡要介紹了一座40 m+128 m+40 m的中承式桁架拱梁組合體系橋梁的結構設計。通過合理的結構布置，使得橋梁傳力形式明確，構造合理。通過對橋梁結構的整體靜力、穩(wěn)定及疲勞的計

[1]JJ11-2011，城市橋梁設計規(guī)范[S].

[2]JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3]BSEN1991-1-5:2003,CE N[S].

[4]JTG D64-2015,公路鋼結構橋梁設計規(guī)范[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0107-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.031

2017-03-05

丁文?。?985-），男，江西撫州人，碩士，工程師，從事橋梁工程設計工作。