杜 鵬,唐志強(qiáng)
(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司,上海市 200063;2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心,上海市 200063)
凌波橋橋梁工程位于揚(yáng)州市三灣公園內(nèi),現(xiàn)狀古運(yùn)河河道寬度約140 m,橋梁中心線與河道夾角為90°,是連接古運(yùn)河?xùn)|西兩岸的重要通道。橋梁工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號K0+276,終點(diǎn)樁號K0+499,全長223 m,跨徑布置為2×25 m+148 m+25 m=223 m,其中主橋采用下承式提籃拱橋,引橋采用簡支預(yù)制小箱梁,如圖1所示。凌波橋設(shè)計(jì)靈感來自揚(yáng)州的水,揚(yáng)州以“州界多水,水揚(yáng)波”而聞名,京杭大運(yùn)河的發(fā)端就在這里,揚(yáng)州也是全國唯一一座與古運(yùn)河同齡的城市,有著源遠(yuǎn)流長的水文化,通過橋的形態(tài)設(shè)計(jì)與水流產(chǎn)生互動,展現(xiàn)今天的揚(yáng)州打造親水城市的手筆,讓人感受到揚(yáng)州“水域共生”的深厚文化底蘊(yùn)。
圖1 凌波橋總體立面圖(單位:cm)
1.2.1 自然地理
場地位于中緯度地帶,屬涼亞熱帶濕潤氣候,年平均降雨量1 033 mm,年平均蒸發(fā)量1 518 mm。潛水位年變幅最大為2.15 m,最小為0.84m,高值一般出現(xiàn)在7~9月汛期,低值多出現(xiàn)在11~12月旱季。
1.2.2 地形地貌
場地位于長江下游沖積平原區(qū),地貌類型屬三角洲平原的古河口沙嘴。橋址處古運(yùn)河西岸為沙石堆場,地面高程約5.5 m,東岸為農(nóng)田,地面高程 5.8~6.7 m。
1.2.3 地質(zhì)構(gòu)造
場地大地構(gòu)造位置處于我國大陸東部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺蘇南隆起區(qū)的江都隆起部位。場地北側(cè)有蔣王-宜陵斷裂、西側(cè)有蔣王廟-酒甸斷裂,東側(cè)有鳳凰河斷裂穿過,其他斷裂離場地較遠(yuǎn)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,這些斷裂晚近期均未發(fā)現(xiàn)活動跡象,場地區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定較好。
(1)道路等級:城市支路,設(shè)計(jì)車速30 km/h。
(2)設(shè)計(jì)荷載:城-B級,人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)取用。
(3)古運(yùn)河Ⅵ級航道,航道寬25m,通航凈空不小于4.5 m。
(4)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為7度,地震動峰值加速度0.15 g。
(5)設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)洪水頻率:最低通航水位3.830 m,最高通航水位5.830 m,設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。
(6)橋梁縱坡:橋面最大縱坡2.9%,最小豎曲線半徑(凸)R=1 000 m。
(7)斷面布置。主橋:2.0 m(工作空間)+2.0 m(人行道)+8.0 m(機(jī)動車道)+2.0 m(人行道)+2.0 m(工作空間)=16.0 m。 引橋:2.0 m(人行道)+8.0 m(機(jī)動車道)+2.0 m(人行道)=12.0 m。
主橋采用主跨148 m的下承式提籃拱橋,主拱肋采用鋼箱截面,兩片拱肋間設(shè)風(fēng)撐。主梁采用由邊縱梁、橫梁、小縱梁組成的鋼結(jié)構(gòu)縱橫體系,上設(shè)正交異性鋼橋面板。
主跨理論跨徑148 m,矢高為30.31 m,矢跨比為 1/4.9,拱軸線最高點(diǎn)距橋面頂面27.1 m,采用提籃形雙拱肋,拱肋向橋中心線傾斜。主拱拱軸線由四段拋物線組成,平、立面拋物線方程為Y=pow
主橋拱肋分為15個節(jié)段,從拱頂?shù)腪1節(jié)段至拱腳的Z8節(jié)段,對稱布置,拱肋斷面為等寬變高度單室鋼箱,寬度為2.5 m。其中,合龍段Z1節(jié)段長20 m,高度從跨中4.5 m漸變至理論分段線處4.214 m;拱肋節(jié)段 Z2~Z6,節(jié)段長均為10 m,高度從4.214 m漸變至3.346 m;拱肋節(jié)段Z7,節(jié)段長6 m,高度從3.346 m漸變至3.623 m;拱腳段Z8,節(jié)段長7.92 m,為拱腳非標(biāo)段。
Z1節(jié)段的頂、底板厚18 mm,腹板板厚為16 mm,縱向加勁肋厚為16 mm;Z2~Z3節(jié)段的頂板、底板板厚為25 mm,腹板板厚為 22 mm,縱向加勁肋厚為20 mm;Z4~Z8節(jié)段的頂板、底板板厚為32 mm,腹板板厚為28 mm,縱向加勁肋厚為22 mm。
拱軸線立面為拋物線,拱軸線的各交點(diǎn)均在拋物線上,每段直線段平面投影長2 m。每4 m(平面投影長)設(shè)置一道橫隔板,兩道橫隔板之間設(shè)置一道縱向加勁,縱向采用板式加勁肋,剛性加勁設(shè)計(jì)。橫隔板厚28 mm,橫隔板處設(shè)人孔,人孔加勁肋厚12 mm,寬268 mm,縱向板式加勁肋厚30 mm。
以跨中為中心,對稱布置風(fēng)撐,共設(shè)置5道,其中3道一字形風(fēng)撐、2道K形風(fēng)撐,風(fēng)撐的水平投影間距為20 m。風(fēng)撐、斜撐均采用箱形截面,截面頂?shù)装迮c拱軸線連線平行。風(fēng)撐、斜撐標(biāo)準(zhǔn)橫斷面尺寸均為1.75 m×2 m。風(fēng)撐、斜撐的頂板、底板及腹板厚度均為16 mm,加勁肋厚度為14 mm,每2 m設(shè)置一道橫隔板,橫隔板厚14 mm,如圖2所示。
圖2 拱肋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖
主梁采用鋼結(jié)構(gòu)體系,是由鋼結(jié)構(gòu)梁格與橋面板組成的整體。鋼梁格由兩根邊主梁、端橫梁、中橫梁、小縱梁組成。橋面板采用正交異性鋼橋面板。
該橋鋼加勁梁采用工廠預(yù)制節(jié)段,現(xiàn)場連接成整體的施工方式,根據(jù)構(gòu)造及施工架設(shè)的需要劃分節(jié)段。全橋系梁共分為9個節(jié)段Z1~Z9,對稱布置。其中,Z1、Z9為拱梁結(jié)合段,節(jié)段長5.8m;Z2、Z8 節(jié)段長 17.12 m;Z3、Z5、Z7 節(jié)段長 20 m,其中Z5節(jié)段為跨中合龍段;Z4、Z6節(jié)段長18 m。
Z2~Z8節(jié)段邊主梁采用箱形截面,寬2.0 m,高1.4~1.44 m,頂面設(shè)置2%橫坡,底面水平,其頂、底板厚25 mm,腹板厚20 mm??v向設(shè)加勁肋,高200 mm,厚25 mm。每5 m設(shè)置一道橫隔板,局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整,橫隔板厚20 mm,橫隔板處設(shè)人孔,人孔加勁肋厚12 mm,寬120 mm。
中橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距5 m,局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整,中橫梁位置與邊主梁橫隔板位置相對應(yīng)。橫梁截面采用工字形截面,頂面設(shè)置2%橫坡,頂面與橋面板連接,橋面板板厚14 mm,底面與系梁底面齊平。中橫梁梁高1.44~1.56 m,腹板厚20 mm,底板厚25 mm,底板寬600 mm。橫梁間沿縱橋向設(shè)置兩道小縱梁。小縱梁采用工字形截面,梁高0.986 m,腹板厚18 mm,底板厚20 mm,底板寬400 mm。
拱梁結(jié)合段(Z1、Z9)設(shè)置邊主梁與拱肋連接段,拱肋和拱梁結(jié)合段連接,斷面形式為主梁與拱肋組合成的不規(guī)則截面。邊主梁及拱梁結(jié)合段均采用箱形截面,頂面設(shè)置2%橫坡,底面水平。邊主梁及拱梁結(jié)合段頂、底板均加厚至40 mm,腹板厚20 mm。每2 m設(shè)置一道橫隔板,板厚30 mm,橫隔板處分別設(shè)人孔,人孔加勁肋厚12 mm,寬120 mm。拱梁結(jié)合段端橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距2 m,端橫梁位置與邊主梁橫隔板位置相對應(yīng)。橫梁截面采用工字形截面,頂面設(shè)置2%橫坡,頂面與橋面板連接,橋面板加厚至40 mm,底面與系梁底面齊平。端橫梁梁高1.44~1.56 m,腹板厚 30 mm,底板厚 40 mm,底板寬600 mm。端橫梁間沿縱橋向設(shè)兩道小縱梁。小縱梁采用工字形截面,梁高0.986 m,腹板厚18 mm,底板厚20 mm,底板寬400 mm,如圖3所示。
圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖
主橋吊桿兩側(cè)對稱布置,吊桿順橋向間距10 m,兩側(cè)拱下各設(shè)吊桿12根,全橋吊桿合計(jì) 24根。吊桿采用15.2×19單絲環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線,纏包后熱擠HDPE,索體外徑105 mm,破斷索力4 940 kN。拱上吊桿采用銷接方式錨固,拱上插銷板厚50 mm,兩側(cè)加強(qiáng)板厚25 mm,總厚度100 mm,吊桿錨固隔板與吊桿方向一致,垂直于水平面布置,與拱軸線斜交。梁上吊桿間距10 m,銷接方式同拱上吊桿。吊桿采用兩端錨固的形式,LZM7-127冷鑄錨錨固體系,如圖4所示。
圖4 吊桿示意圖
主橋施工步驟如圖5所示。
圖5 主橋施工步驟
分析程序分別采用MIDAS/Civil 2015和ANSYS進(jìn)行計(jì)算[1]。MIDAS中拱肋、主梁采用空間梁單元,吊桿采用只受拉單元。模型共計(jì)梁單元607個,只受拉單元24個。ANSYS中共計(jì)劃分單元11萬個,如圖6和圖7所示。
圖6 MIDAS模型圖
圖7 ANSYS模型圖
3.2.1 拱肋
荷載作用下梁模型拱肋最大拉應(yīng)力76 MPa,最大壓應(yīng)力156.6 MPa。板殼模型拱肋跨最大拉應(yīng)力72.6 MPa,最大壓應(yīng)力151.6 MPa。
3.2.2 吊桿內(nèi)力
恒載作用下梁模型吊桿內(nèi)力467.3~634.1 kN;板殼模型吊桿內(nèi)力389.0~682.0 kN。
3.2.3 豎向位移
荷載作用下梁模型拱肋豎向位移最大值8.7 cm;板殼模型拱肋豎向位移最大值9.2 cm。
3.2.4 縱向位移
荷載作用下梁模型拱肋順橋向位移最大值4.4 cm;板殼模型拱肋順橋向位移最大值4.1 cm。
如圖8和圖9所示,通過板殼模型與梁模型對比,梁模型精度基本滿足要求。
圖8 MIDAS位移示意圖
圖9 ANSYS位移示意圖
因拱腳與橫梁連接處為該橋受力最復(fù)雜的部位,因此應(yīng)用ANSYS對其進(jìn)行局部應(yīng)力分析[2]。
3.3.1 恒載(自重+二期)作用
恒載作用下拱梁結(jié)合部位最大梅塞思等效應(yīng)力為172 MPa,位于主梁與橫梁交接處,其余部位最大梅塞思等效應(yīng)力為106 MPa,如圖10和圖11所示。
圖10 恒載作用下拱梁結(jié)合部位橋面處梅塞思等效應(yīng)力(單位:N/mm2)
圖11 恒載作用下拱梁結(jié)合部位底面處梅塞思等效應(yīng)力(單位:N/mm2)
3.3.2 活載(活載人群+汽車)作用
活載作用下拱梁結(jié)合部位最大梅塞思等效應(yīng)力為27 MPa,位于主梁與橫梁交接處,其余部位最大梅塞思等效應(yīng)力為23 MPa,如圖12和圖13所示。
經(jīng)分析比較,拱梁結(jié)合部位應(yīng)力組合最大為237MPa,滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64—2015)相關(guān)承載力要求。
圖12 活載作用下拱梁結(jié)合部位頂面處梅塞思等效應(yīng)力(單位:N/mm2)
圖13 活載作用下拱梁結(jié)合部位底面處梅塞思等效應(yīng)力(單位:N/mm2)
凌波橋自2018年1月30日開放運(yùn)營以來,使用情況基本正常,且竣工前委托中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司進(jìn)行了荷載試驗(yàn),并出具了荷載試驗(yàn)報(bào)告,報(bào)告結(jié)論復(fù)合相關(guān)要求,總體安全可靠,滿足正常使用條件,如圖14所示。
圖14 現(xiàn)狀照片
凌波橋作為下承式提籃拱橋,成為揚(yáng)州三灣的標(biāo)志性建筑,代表了揚(yáng)州的獨(dú)特文化。大膽和獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念在國內(nèi)屈指可數(shù),也為此類組合橋型的可行性奠定了基礎(chǔ),提供了可借鑒的參考依據(jù),證明了這種結(jié)構(gòu)體系的可靠性,為今后更多的組合橋梁做出了貢獻(xiàn)。