雙層大跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋設(shè)計及受力分析

霍嘯蘇張 浩

（1.江蘇交科交通設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

面對當前城市大型越江跨河橋梁單層交通難以滿足交通流量的現(xiàn)狀，須在橋梁設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，對橋梁結(jié)構(gòu)及橋面交通布置進行創(chuàng)新設(shè)計。目前，雙層交通的市政橋梁能很好地滿足交通流量，順應(yīng)了城市發(fā)展的需要，應(yīng)用越來越廣泛?；窗彩形靼猜肪┖歼\河大橋?qū)匐p層大跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋，橋面寬、車道多、荷載重，具有雙層市政橋面的特殊性，為了總結(jié)其設(shè)計、建設(shè)經(jīng)驗，本文就該雙層拱橋的設(shè)計及受力進行分析，為相似橋梁建設(shè)提供參考。

1 項目概況及設(shè)計標準

西安路京杭運河大橋為淮安市快速路一期中的重要節(jié)點橋梁，位于西安路跨越京杭運河處，呈南北走向。京杭運河于淮安市境內(nèi)，為Ⅱ級航道，通航凈空110m×7m控制?？焖俾芬黄诠こ涛靼猜飞蠈痈呒芗拔靼猜份o路需在同一橋位處跨越京杭運河，且道路紅線受限，為減少占地，經(jīng)多方案比選后采用雙層橋面[1]。上層橋面總寬42m，城市快速路標準，下層橋面總寬43m，城市主干路標準。汽車荷載標準：城-A級。

2 橋梁構(gòu)造布置

2.1 總體設(shè)計

西安路京杭運河大橋主橋為雙層三跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋，為全焊整體式節(jié)點板桁結(jié)構(gòu)，跨徑布置（59+150+59）m[2]。橫橋向設(shè)置兩片主桁，主桁間距36.5m，主桁中心線高差8m，標準節(jié)間距9m。橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置圖

橋梁上層橋面為雙向八車道的城市快速路，下層為雙向六車道+兩條非機動車道的城市主干道。全橋為拱梁組合體系結(jié)構(gòu)，豎向荷載由主桁梁及拱圈共同承擔，全橋豎向荷載由主桁梁傳遞到支座。主橋結(jié)構(gòu)體系主要分為以下子結(jié)構(gòu)：鋼桁架拱、風撐、吊桿索、主桁梁、橋面系、附屬結(jié)構(gòu)。

主橋總體施工方案為先梁后拱[3]，其中中跨主桁采用63m的大節(jié)段吊裝方案（預留60m通航孔），邊跨主梁及橋面采用航道運輸?shù)綐蛭缓螅ㄟ^滑軌進行滑移就位的方式，主拱圈采用在已安裝好的主梁上搭設(shè)支架的方式進行拼裝的方案。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

邊墩處主橋和引橋共用承臺、樁基礎(chǔ)，承臺尺寸為44m×7m×2.5m，基礎(chǔ)采用18根D1.5m樁基，主橋邊墩立柱、下層引橋立柱、上層高架橋立柱均單獨支撐于承臺上。主橋邊墩立柱為兩個獨立矩形斷面，尺寸為2.6m×2.6m，設(shè)0.2m的圓倒角，橫橋向中心間距36.5m；下層引橋采用直墩（北側(cè)）或花瓶墩（南側(cè)），單個立柱尺寸為1.6m×1.3m;上層高架橋采用三根獨立墩柱，中間墩尺寸為2.2m×1.8m，兩側(cè)邊墩尺寸為1.8m×1.5m。主墩為矩形截面，尺寸5.0m×5.0m，設(shè)0.3m的圓倒角，橫橋向中心間距36.5m。主墩承臺采用啞鈴型，尺寸為46.5m×10m×3.5m，基礎(chǔ)采用22根D1.5m樁基。

2.3 拱圈、風撐

2.3.1 拱圈

橫橋向設(shè)兩片拱圈，拱圈由上下兩片拱肋組成的桁架拱體系，采用三角桁式，桿件采用全焊接連接。

下拱弦軸線為二次拋物線，跨度150m，矢高34m，矢跨比1/4.41，上拱軸線為樣條曲線，跨度218m，在拱頂最高點處，上軸線比下軸線高3.5m。上拱肋與下拱肋通過拱腹桿連接，上拱肋于邊跨附近與主桁梁上弦桿相連，拱腹桿的軸線匯于拱弦桿/主桁梁弦桿的幾何中心。每片桁拱共分為15個節(jié)段，包括：與主桁梁相連的起拱段（A7、A6），拱梁間節(jié)段A5、拱上節(jié)段（A4、A3、A2、A1）、合龍段A0，見圖2。

圖2 拱肋節(jié)段劃分圖

拱肋弦桿為八角箱型截面，標準尺寸為3m（橫）×2m（高），側(cè)高0.75m，側(cè)高1m。主要受力板厚12～40mm。A3拱節(jié)段含有從八邊形過渡為四邊形的部分，拱腳截面為四邊形截面，最后與鋼主桁節(jié)點G9相連。

拱內(nèi)中每隔2.5～4m，設(shè)置實腹式橫隔板，板厚16mm，部分實腹式橫隔板之間增設(shè)橫向加勁肋，板厚12～16mm，箱型拱腹桿內(nèi)設(shè)置1～2道實腹式橫隔板。工字型腹桿中間設(shè)置兩組對稱的腹板橫向加勁肋。

拱、拱腹桿內(nèi)的縱向加勁肋間距為500mm左右，厚度10～20mm，主拱圈不設(shè)置預拱度。

2.3.2 風撐

全橋共設(shè)置11道一字型風撐，跨度36.5m，采用尺寸1.5m（寬）×2.0m（高）的箱型截面。風撐位于拱肋弦桿中部，風撐內(nèi)每隔8m左右設(shè)置實腹式橫隔板一道，其間增設(shè)橫向加勁肋。下拱圈共布置6道橫撐，水平投影距離約18m左右；上拱圈布置5道橫撐，水平投影距離約18.7m；風撐頂?shù)装濉⒏拱寰捎?6mm鋼板。風撐沿自身平面內(nèi)高度方向設(shè)置10mm的預拱度。

2.4 吊桿

全橋共設(shè)13對柔性吊桿。柔性索型號為Φ7-127，采用雙層雙護層高密度聚乙烯護套的鍍鋅高強度平行鋼絲索（抗拉強度不小于1670MPa），每對吊桿橫橋向中心距為36.5m，上下端分別錨固在主拱和主梁節(jié)點橫隔板所連接的吊耳處，考慮到施工張拉及日后換索的需要，采用梁上張拉的方式。

2.5 鋼桁梁

連續(xù)鋼桁梁長度為59+150+59=268m，在邊墩及主墩下弦節(jié)點處設(shè)置支座，主跨內(nèi)吊桿索作為鋼主梁的彈性支撐[4]。鋼桁梁主要由下列構(gòu)件單元組成：主桁梁（含上下主弦桿、腹桿、整體節(jié)點）、橋面系單元（主橫梁、副橫梁、橋面板、U肋、小縱梁、人行道挑臂板、檢修道挑臂版）組成，采用全焊接的連接方式[5]。

2.5.1 主桁梁

主桁梁為全橋最重要的受力桿件，橫橋向兩片拱，中心間距36.5m。上下弦桿幾何中心高差8m，采用三角桁式，標準段弦桿與斜腹桿的夾角為60°左右。

主桁梁包含上下弦桿、腹桿、整體式節(jié)點。每片主桁分為15個節(jié)段，最長節(jié)段為中跨吊裝段-Z0節(jié)段，長約67.5m，高10m，寬約1.9m，重約500t，鋼結(jié)構(gòu)制作單位需整體制作運輸至現(xiàn)場，利用浮吊整體吊裝。

上下弦桿斷面為矩形，高2m，寬1.5m，在拱梁結(jié)合段上下節(jié)點附近，弦桿寬度變化為3m，由1個箱式變化為3個箱式。弦桿頂、底板、腹板厚度20～50mm。

主桁梁腹桿為矩形截面，橫橋向?qū)?.5m，順橋向1.25m，中支點附近隨著弦桿長度的變化，腹桿變化成橫橋向3m，順橋向2m和1.25m兩種，邊墩處的端腹桿橫橋向1.5m，順橋向1.5m。腹桿板厚20～50mm。

主桁梁采用整體式焊接節(jié)點，整體節(jié)點之內(nèi)采用板件對其傳力，節(jié)點板起到應(yīng)力擴散作用，且整體節(jié)點板需采用整塊鋼板切割成型，所有桿件的對齊方式均采用外表面對齊。

邊支點附近和中支點附近主桁梁各灌入C25微膨脹混凝土，灌注混凝土起到加強剛度作用。

主桁梁需設(shè)置預拱度，跨中處預拱度為10cm，邊跨及主墩處預拱度為零。

2.5.2 橋面系

橋面系由帶U肋的正交異性橋面板、橫梁、人行道挑臂、檢修道挑臂組成，橋面系于橋面中心線處上拱15mm。

（1）標準的正交異性板塊長度約9m，橫橋向分段數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工需要調(diào)整，整體線型隨弦桿頂面變化。整個板塊由板厚16mm的橋面板、縱向“U肋”、板肋和小縱梁組成。“U肋”橫距為300mm，高度280mm，厚度8mm；局部橋面板由板肋加勁，厚度16mm，高200mm。小縱梁為倒“T”形，橫向的間距為6.9m左右，高度1500mm，腹板厚度12mm，底板寬度280mm，厚12mm，上下層各設(shè)4道小縱梁。

（2）橫梁板塊包含主橫梁、副橫梁、結(jié)合段橫梁、端橫梁等四種類型。

主橫梁位于主桁梁節(jié)點處，采用閉口箱型橫梁，跨度約36.5m，高度2～2.365m，平均間距約9m，寬度約2.55m。底板厚16mm，腹板厚12mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。

副橫梁位于主桁梁弦桿之間，采用倒“T”型橫梁，跨度約36.5m，高度2～2.365m，平均間距約9m，底寬0.5m。底板厚20mm，腹板厚20mm。小縱梁于副橫梁對應(yīng)位置截斷并焊接在副橫梁上，其間增設(shè)橫向加勁肋與水平加勁肋，水平加勁肋于橫向加勁肋相交處斷開。

結(jié)合段橫梁位于拱梁結(jié)合節(jié)點處，采用閉口箱型三室橫梁，跨度36.5m，高度2～2.365m，全橋設(shè)四道，寬度5.53m/5.21m。腹板厚12mm，底板厚16mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。

端橫梁位于邊跨端節(jié)點附近，采用閉口箱型橫梁，跨度36.5m，高度2～2.365m，全橋共四道，寬度1.5m。底板厚40mm，腹板厚20mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。端橫梁內(nèi)灌注C25微膨脹混凝土。

（3）人行道及檢修道挑臂板由帶加勁肋鋼板與挑臂橫梁組成。人行道板采用10mm厚的鋼板，下設(shè)一字肋，間距約300mm，厚度10mm。挑臂橫梁采用倒“T”型斷面，對應(yīng)主、副橫梁的腹板，腹板厚10mm，底板厚12mm，寬300mm。

3 結(jié)構(gòu)受力計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

主橋為59+150+59m三跨雙層桁架拱橋。主橋結(jié)構(gòu)空間靜力計算采用MIDAS civil 2012程序建立三維有限元模型進行計算。主梁和主拱桁架采用梁單元模擬，拱肋桁架上弦桿和主梁桁架上弦桿間連接采用板單元。橋面系簡化成縱橫梁梁格體系，吊桿采用索單元模擬，截面按照初步設(shè)計文件計入，按橋設(shè)計文件推薦采用的施工過程進行模擬，全橋共計采用2013個節(jié)點，3280個單元。主橋結(jié)構(gòu)離散如圖3所示。

圖3 全橋計算模型

3.2 主要構(gòu)件受力計算結(jié)果

限于篇幅，本文僅列出部分主要構(gòu)件計算結(jié)果，如圖4、圖5所示。由計算結(jié)果可知，在基本組合應(yīng)力作用下，各主要構(gòu)件強度滿足規(guī)范要求；活載作用下跨中撓度最大約為25mm，故汽車活載產(chǎn)生的撓度為25mm，＜300mm，滿足規(guī)范要求，如圖6所示。

圖4 主拱上弦桿截面上緣基本組合最大應(yīng)力

圖5 主梁桁架下弦桿截面下緣基本組合最大應(yīng)力

圖6 活載最大豎向撓度計算（單位：mm）

4 結(jié)束語

歷時3年，西安路京杭運河大橋順利建成并通車，作為淮安橋梁史上的第一座雙層橋梁，本橋的設(shè)計具有重要的借鑒意義。

（1）對于多車道雙層重載橋梁，可以優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)，以達到輕質(zhì)高強的工作性能。

（2）對于跨河段橋梁，且周邊地塊受限時，可以選擇主輔路雙層布置的橋梁進行跨越，以減少征拆規(guī)模，節(jié)省造價。

（3）針對本類跨越重要航道的橋梁，設(shè)計時需綜合考慮施工方案的合理性，充分利用航道的性能，采用設(shè)置滑道支架、浮吊大節(jié)段吊裝等施工方案。