30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋設(shè)計(jì)

曹海順

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200437）

30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋設(shè)計(jì)

曹海順

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200437）

山東省壽光市金光街彌河大橋主橋?yàn)?0 m+130 m+30 m混合拱肋飛燕式拱橋,是三跨連續(xù)鋼箱梁與中承式拱的組合體系,三角區(qū)設(shè)裝飾桁架,平面設(shè)環(huán)狀人行橋,造型獨(dú)特。主橋采用平行雙肋,主拱為懸鏈線鋼混混合拱肋,邊拱為斜直線混凝土拱肋,截面均為六邊形箱,拱肋間在橋面以上不設(shè)橫撐。主梁為單箱多室鋼箱梁,吊索區(qū)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)7.5 m。吊桿采用環(huán)氧噴涂鋼絲拉索。沿拱肋縱向布設(shè)鋼絞線水平拉索。主墩承臺(tái)上設(shè)拱座和立柱,邊墩為柱式,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁。采用MIDAS Civil軟件進(jìn)行靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定分析可知,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。梁拱均采用支架施工。

中承式拱橋；混合拱肋；組合體系；橋梁設(shè)計(jì)；分析

1 工程概況

金光街跨彌河大橋位于山東省壽光市,是溝通東城新區(qū)和中心城區(qū)的重要節(jié)點(diǎn)橋梁；橋位處于彌河生態(tài)園區(qū)內(nèi),東岸規(guī)劃為農(nóng)業(yè)生態(tài)園,西岸為皮劃艇俱樂部。大橋的建設(shè)具有極為重要的交通和景觀功能。

彌河是壽光境內(nèi)最大的河流,現(xiàn)狀為季節(jié)性河流,大部分時(shí)間干涸。橋位附近地形平坦,屬?zèng)_擊平原區(qū)。地層除表層填土外,其下為第四紀(jì)沖積成因土層。在勘察深度范圍內(nèi),地層由素填土、粘土、粉土、粉砂、中粗砂層等組成。

大橋由主橋、引橋及人行橋組成,主橋?yàn)?0 m+ 130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋（飛燕拱）,橋面以上不設(shè)橫撐,主墩三角區(qū)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)裝飾桁架；引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土等高連續(xù)梁；人行橋是本橋在景觀上的一個(gè)亮點(diǎn),為空間曲線線型和大挑臂構(gòu)造,在主跨范圍內(nèi)其與主橋鋼箱梁結(jié)合成一體,平面為橢圓形環(huán)道,兩側(cè)邊跨為獨(dú)立體系。主橋總體及橫斷面布置見圖1、圖2。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí):城市主干路,設(shè)計(jì)車速60 km／h。

（2）設(shè)計(jì)荷載[1]:汽車荷載城—A級(jí)；人群及非機(jī)動(dòng)車道荷載取用2.5 kPa。

（3）航道標(biāo)準(zhǔn):不通航；但需滿足皮劃艇比賽要求,河道中心54 m范圍內(nèi)為皮劃艇賽道,兩側(cè)各設(shè)20 m安全距離,凈空要求為常水位以上3 m。

（4）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):地震動(dòng)峰值加速度0.15 g（基本烈度7度）,抗震設(shè)防類別丙類,抗震設(shè)防措施8度,抗震設(shè)計(jì)方法A類。

（5）橋面坡度:豎曲線在主橋范圍內(nèi)以橋梁中心線東西側(cè)對(duì)稱,最大縱坡1.65%,設(shè)R=4 000 m豎曲線；車行道橫坡采用±2.0%,人行道及非機(jī)動(dòng)車道采用反向1.5%。

（6）標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度32.5 m（不含兩側(cè)吊索區(qū)）:4.0 m（人、非混行道）+0.5 m（護(hù)欄）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（中分帶）+11.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+ 0.5 m（護(hù)欄）+4.0 m（人、非混行道）。

3 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)思

中承式拱橋在我國(guó)已經(jīng)建成多座,分有推力拱和無(wú)推力拱（飛燕式）,拱肋以鋼管混凝土和鋼箱為多。中承式拱橋一般在橋面系與拱肋的相交處設(shè)有固定橫梁,兩端的橋面板通過支座擱置在固定橫梁上,拱肋與橋面的相交處設(shè)置一道伸縮縫。

中承式拱橋的體系構(gòu)思,比較獨(dú)特的有重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋[1]。外形與常規(guī)中承式拱橋類似,實(shí)際主體結(jié)構(gòu)由3個(gè)子結(jié)構(gòu)組成（一對(duì)Y型墩剛構(gòu)和一座鋼箱提籃拱）。子結(jié)構(gòu)通過系桿連接成主跨420 m中承式剛構(gòu)、鋼箱系桿拱組合體系,主梁為5跨連續(xù)鋼桁梁,僅在主、引橋相接處設(shè)置縱向伸縮縫。

圖1 主橋總體布置圖（單位:mm）

圖2 主橋主跨跨中橫斷面圖（單位:mm）

受其啟發(fā),彌河大橋在體系構(gòu)思時(shí)采用了30 m+130 m+30 m三跨連續(xù)鋼箱梁、中承式拱組合體系。

在橋型方案設(shè)計(jì)時(shí),從景觀考慮主跨橋面以上不設(shè)橫撐（為敞口拱）、兩榀拱肋設(shè)置在人行道外側(cè),為提高主橋的整體穩(wěn)定性能、減輕自重以控制吊點(diǎn)橫梁梁高,主梁采用鋼箱梁。主跨吊桿橫向間距大于32.5 m,主梁梁高由橫向控制,取用2.2 m,一般而言主梁縱向可允許約45 m的跨度,因此設(shè)計(jì)上取消了邊跨的拱上立柱,將主梁擱置在邊拱肋間的橫梁上；由于人行橋在拱梁相交處下穿,而主橋標(biāo)高受道路縱坡限制,拱肋間無(wú)法設(shè)置強(qiáng)大的橫梁以擱置主梁,在主墩承臺(tái)上設(shè)立柱以支承主梁；主跨的跨中區(qū)域主梁由吊桿支撐,荷載由吊桿傳遞給主拱,形成拱梁組合體系。

彌河大橋由于交通組織要求引橋與兩岸大堤平交,為減小引橋段橋梁縱坡需控制橋面標(biāo)高,主橋邊跨橋面距水面高度較小,考慮景觀要求、減小拱肋阻水面積,邊跨飛燕不宜做長(zhǎng),跨徑采用30 m,拱段采用斜直線。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造設(shè)計(jì),主墩三角區(qū)的上弦桿及豎桿設(shè)計(jì)為裝飾結(jié)構(gòu)。

4 主橋主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主跨拱肋

采用中承式雙肋無(wú)鉸平行拱,計(jì)算跨徑130 m,矢高35 m,矢跨比1/3.714。為減小主拱的拱腳負(fù)彎矩,其拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數(shù)取1.756。拱軸線采用拋物線或各種拱軸系數(shù)的懸鏈線時(shí),恒載狀態(tài)主跨拱肋彎矩的比較見表1。

表1 主跨拱肋彎矩比較表 x103kN·m

主拱肋為鋼混混合結(jié)構(gòu),其中兩側(cè)各15 m（水平投影長(zhǎng)度）為C50混凝土結(jié)構(gòu),跨中段為Q345qE鋼結(jié)構(gòu),拱肋外形呈六邊形。鋼拱肋為等截面,高2.8 m,寬3.7 m；截面板件厚25 mm,頂?shù)装寮案拱逶O(shè)板式加勁肋；箱內(nèi)設(shè)橫隔板,在吊桿位置為豎向,其余沿拱軸線法向布置,間距約2 m,在吊桿附近用半框架隔板加密?；炷凉袄邽樽兘孛?高2.8～3.8 m,寬3.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段壁厚60 cm,拱腳及結(jié)合段壁厚加厚至90 cm。主跨拱肋橫斷面見圖3。鋼混結(jié)合段采用前后承壓板的型式,承壓板厚30 mm,結(jié)合段內(nèi)設(shè)置焊釘、開孔鋼板剪力鍵及預(yù)應(yīng)力鋼絞線以增強(qiáng)鋼與混凝土的結(jié)合。混凝土拱肋內(nèi)布置預(yù)應(yīng)力鋼絞線,以提高拱腳段的抗裂性能,分別錨固在混凝土拱座和鋼梁后承壓板上。

圖3 主跨拱肋橫斷面（單位:mm）

橋面以下兩主拱肋之間設(shè)置1道“K”形橫撐,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),箱型截面。

4.2 邊跨拱肋

邊拱肋為斜直線平行雙肋,計(jì)算跨徑30 m,矢高10 m。為使水平力傳遞平順,將邊拱肋軸線與主拱肋軸線在拱座內(nèi)交于一點(diǎn)。每肋為C50預(yù)應(yīng)力混凝土六邊形箱變截面,高2.8～3.8 m,寬3.7 m；標(biāo)準(zhǔn)段壁厚60 cm,靠近拱頂及拱腳設(shè)倒角過渡。邊拱肋在近邊墩區(qū)域加高,以滿足系桿錨固要求。

邊拱肋之間設(shè)置端橫梁,為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),截面呈箱型,橋梁中線處高2.63 m,寬3.6 m,頂?shù)装搴?5 cm,前后腹板厚95 cm。端橫梁頂面設(shè)2%雙向橫坡,為主橋主梁、引橋箱梁提供支撐；底面水平,支撐在邊墩的4個(gè)立柱上。

4.3 主梁

主梁為三跨連續(xù)等高度鋼箱結(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)板材為Q345qE鋼。吊索區(qū)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)7.5 m,寬36.97 m,吊桿錨點(diǎn)橫向間距約33.4 m,錨點(diǎn)間為單箱6室截面,每室寬約5.5 m,斜拉索外側(cè)為裝飾箱,并作為系桿支架的支撐平臺(tái)。箱梁頂、底面均設(shè)2%雙向橫坡,梁高2.2 m。

標(biāo)準(zhǔn)段鋼梁頂板厚16 mm,采用U形閉口加勁肋,高280 mm、標(biāo)準(zhǔn)間距600 mm；底板厚16 mm,采用U形閉口加勁肋,高250 mm、標(biāo)準(zhǔn)間距800 mm。鋼箱梁在支承區(qū)域,頂?shù)装寰骷雍裉幚?板厚均為20 mm,不同厚度的板間拼接處設(shè)單邊1∶8斜坡。箱梁縱向共設(shè)7道腹板:除吊索區(qū)與鋼錨箱焊接的邊腹板厚度為30 mm外,其余腹板厚一般為12 mm,腹板均設(shè)一字加勁肋。

7.5 m標(biāo)準(zhǔn)梁段上設(shè)置1道吊點(diǎn)橫隔板、2道普通橫隔板,橫隔板間距2.5 m。吊點(diǎn)橫隔板采用實(shí)腹式,板厚16 mm,板上預(yù)留過人孔；普通橫隔板為框架式,板厚12 mm。鋼梁縱向在主墩處設(shè)中橫梁,在邊支點(diǎn)設(shè)端橫梁,頂?shù)装寰雍裰?0 mm。端橫梁在車行道范圍的箱梁頂部預(yù)留槽口,以埋設(shè)伸縮縫。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面見圖4。

圖4 鋼箱梁橫斷面（單位:mm）

4.4 人行道、人行橋

大橋人行系統(tǒng)包括人行道和人行橋兩部分。主橋橋面兩側(cè)各設(shè)4 m寬人非混行道,全長(zhǎng)設(shè)置。人行橋標(biāo)準(zhǔn)寬度2.7 m,行人通過位于主跨跨中的連廊上人行橋,經(jīng)設(shè)置于主梁外側(cè)挑梁、梁下吊桿及立柱上的斜坡道抵達(dá)生態(tài)園區(qū)。人行橋挑梁間距7.5 m,縱向以Φ800 mm鋼管串聯(lián),通過斜吊桿與主拱肋連接。人行橋與主體結(jié)構(gòu)的連接為栓焊組合式,栓接部分設(shè)計(jì)為可拆卸。

4.5 吊桿

分為懸吊主橋箱梁的主吊桿和懸吊人行橋挑梁的副吊桿,縱向間距均為7.5 m,主吊桿13對(duì),副吊桿11對(duì)。吊桿均采用環(huán)氧噴涂鋼絲拉索體系,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa,采用雙層PE防護(hù),安全系數(shù)大于2.5。

副吊桿采用19絲φ5 mm平行鋼絲索,兩端均采用熱鑄錨（叉耳）,上端錨固于拱肋底板下方的耳板,下端錨固于人行橋挑梁的耳板,在挑梁端張拉。

4.6 系桿

為平衡中跨拱肋的水平推力,在主橋兩端橫梁之間布設(shè)水平拉索。每榀拱肋設(shè)6束,按上下兩層布置。每束拉索由19φs15.2環(huán)氧噴涂鋼絞線組成,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa,采用夾片錨具,雙層PE防護(hù)。系桿布置在人行道外側(cè)、主梁裝飾箱上方,在主梁與拱肋相交處設(shè)系桿盒穿過,在邊跨拱肋實(shí)體段內(nèi)設(shè)預(yù)埋管穿過,并逐漸散開錨固于邊拱肋端部。

4.7 裝飾桁架

從主橋立面景觀考慮,將主墩三角區(qū)設(shè)計(jì)成桁架外形。上弦桿立面呈凹型曲線,一端與邊拱拱頂連接,一端與主跨拱肋近似相切,下弦桿即為三角區(qū)內(nèi)的主拱肋及邊拱肋,上下弦桿以豎腹桿相連,間距2 m。為簡(jiǎn)化三角區(qū)桁架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過調(diào)整施工工序減小上弦桿、豎腹桿受力,將其設(shè)計(jì)為裝飾桿件。

上弦桿為六邊形箱等截面,寬1.8 m,高1.5 m。截面板件厚16 mm,設(shè)板式加勁肋；豎腹桿為矩形箱截面,40 cm（短邊）×80 cm（長(zhǎng)邊）,腹桿高1.6～12.1 m。

4.8 下部結(jié)構(gòu)

5 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

5.1 靜力分析

利用有限元程序建立空間模型:主梁用梁?jiǎn)卧⒌刃Я焊?拱肋、人行橋挑梁、裝飾桁架等用梁?jiǎn)卧?吊桿用桿單元建模,系桿用體外預(yù)應(yīng)力模擬,主墩基礎(chǔ)考慮樁—土相互作用影響,樁基用六個(gè)自由度的彈簧模擬。主體結(jié)構(gòu)模型見圖5。

圖5 靜力計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)模擬主橋上部結(jié)構(gòu)采用少支架施工、裝飾桁架及部分人行橋結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)形成后再安裝的施工工序,并對(duì)成橋運(yùn)營(yíng)階段的使用荷載進(jìn)行計(jì)算,計(jì)入恒載、活載、整體升降溫、體系溫差、橫向靜風(fēng)荷載等的作用。

鋼梁、鋼拱肋按公路鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[3]驗(yàn)算,鋼梁最大正應(yīng)力70 MPa（跨中）～115 MPa（支點(diǎn)）,鋼拱肋最大正應(yīng)力153 MPa,承載能力和疲勞驗(yàn)算滿足。混凝土拱肋及橫撐等按公路混凝土規(guī)范[4]驗(yàn)算,承載能力及使用狀態(tài)均滿足。

主梁在移動(dòng)荷載作用下的最大豎向撓度為32 mm＜L/800=162 mm（L為主跨跨徑）,結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范[5]。

5.2 穩(wěn)定分析

主橋主跨橋面以上不設(shè)橫撐,對(duì)主橋的整體穩(wěn)定性不利,需要建立空間分析模型進(jìn)行驗(yàn)證。模型采用空間梁格,考慮恒載初始內(nèi)力的影響,以恒載、活載（汽車+人群）及風(fēng)荷載為可變荷載,進(jìn)行線性屈曲分析。由表2可知,最小一階穩(wěn)定系數(shù)為9.54,呈拱肋側(cè)傾失穩(wěn),結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定滿足。

表2 結(jié)構(gòu)曲屈系數(shù)及曲屈模態(tài)

以靜力分析模型為基礎(chǔ),同時(shí)考慮支座、邊墩等下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的影響,采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析,自振特性結(jié)果見表3。

表3 結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特性

地震分析表明,上部結(jié)構(gòu)的梁、拱不受地震作用控制。在E2地震作用下,固定支座的水平抗力不足,主墩立柱和承臺(tái)受力較大。通過在梁底布置彈塑性鋼阻尼支座,以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期、減小地震力的影響。

6 施工方法

按常規(guī)方法施工樁基、承臺(tái)及立柱等。梁拱均采用支架施工:混凝土拱肋采用支架現(xiàn)澆,鋼梁、鋼拱肋采用工廠分塊制作、在工地的梁柱式支架上安裝。從以下方面優(yōu)化施工工序,以使結(jié)構(gòu)受力更優(yōu):（1）合理安排鋼梁外側(cè)裝飾邊箱、拱肋三角區(qū)的裝飾桁架及人行橋構(gòu)件的安裝時(shí)機(jī)；（2）分批張拉混凝土拱肋及橫梁內(nèi)的鋼束。

7 結(jié)語(yǔ)

彌河大橋?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)交通和景觀的雙重功能,巧妙構(gòu)思了三跨連續(xù)梁、中承式拱的組合結(jié)構(gòu)體系,拓展了中承式拱橋的布置。通過優(yōu)選拱軸線型減小了拱腳的負(fù)彎矩；在主梁梁底布置減隔震支座,改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能；在主墩三角區(qū)設(shè)計(jì)裝飾桁架、主梁設(shè)外挑人行步道,豐富了橋梁的景觀效應(yīng)。

該橋的建成必將成為壽光市新的城市景觀。

[1]CJJ 11-2011,城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]劉孝輝.重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)方案研究[J].公路交通技術(shù), 2004(2):33-36.

[3]JTG D64-2015,公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JTG/T D65-06 2015,公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U448.22

B

1009-7716（2017）07-0060-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.018

2017-03-26

曹海順（1978-）,男,江西東鄉(xiāng)人,高級(jí)工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。