變高度異型剛架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析
——以福州市岐陽一路景觀橋為例

劉澄源

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化建設(shè)和橋梁科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，城市對橋梁的功能、景觀要求不斷提高，城市橋梁設(shè)計在滿足實用性基礎(chǔ)上，還應(yīng)關(guān)注其創(chuàng)意性及美觀性[1]?，F(xiàn)實中，城市橋梁設(shè)計，常受到地下管線、橋下道路、現(xiàn)狀建筑物、通航及景觀要求等因素制約，導(dǎo)致無法選擇常規(guī)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，需要橋梁設(shè)計師通過精妙的構(gòu)思，大膽選用創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，實現(xiàn)城市橋梁在實用性、創(chuàng)意性及美觀性上的統(tǒng)一。

基于剛架橋通過主梁與墩臺之間的剛性連接，顯著減小豎向荷載下主梁跨中的正彎矩，跨中主梁高度也相應(yīng)得以減小，如主梁采用鋼材，跨中主梁高度進一步減小，使橋梁外觀纖細輕盈，橋下視野開闊；同時，剛架橋橋面不設(shè)伸縮縫，支點無支座，行車舒適性高。因此，剛架橋在城市景觀橋梁選型中具有獨特優(yōu)勢。

本文以福州市馬杭洲河上的岐陽一路景觀橋為工程背景，介紹岐陽一路橋的選型過程，研究變高度異型剛架橋結(jié)構(gòu)的可行性及合理性，以期為同類條件下的城市景觀橋梁設(shè)計選型提供參考。

1 工程概況

福州市三江口片區(qū)處于城市“東進南下”軸線的重要節(jié)點，是承載疏解老城、連接濱海新城的重要地區(qū)，馬杭洲河作為三江口片區(qū)的主要景觀軸，目前正進行河道景觀整治提升。岐陽一路橋是跨越馬杭洲河上的一座景觀橋，馬杭洲河河道岸線寬度30m，橋面高程8.83m，常水位3.64m，澇水位5.49m；橋下河道兩側(cè)均設(shè)置4.0m寬的人行親水步道，凈高不小于2.5m，橋中通航要求通航凈寬12m，通航凈高不小于2.5m；主橋按雙幅布置，橋面總寬度38m(2.5m人行道+3.0m非機動車道+1.5m側(cè)分帶+10.5m車行道+3m中分帶+10.5m車行道+1.5m側(cè)分帶+3.0m非機動車道+2.5m人行道)。

基于上述要求，該景觀橋須采用一跨過河的方案。故，主跨采用1m×30.4m變高度鋼箱梁異型剛架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用混凝土橋臺，鋼箱梁與混凝土橋臺采用預(yù)應(yīng)力錨桿連接，橋臺處挖空設(shè)置橋下人行步道，跨徑布置8.45m+32.03m+8.45m，橋梁總長48.93m。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 上下部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

在中小跨橋梁中，梁底的曲線造型是橋梁立面視覺效果的決定性因素，跨中與根部的梁高變化越大，梁底曲線越顯著，景觀效果越好[2]。相比于簡支梁，鋼箱梁異型剛架橋主梁與橋臺固結(jié)，且自重較輕，跨中彎矩較小，因此跨中梁高可以取較小值1.2m≈L/27進行設(shè)計(L為跨徑)，根部梁高取值3.0m≈L/11，梁底曲線采用R=570m圓弧線。半幅橋采用3片鋼箱梁形成多肋結(jié)構(gòu)造型，多條梁底曲線多方位展示結(jié)構(gòu)的線條美。鋼箱梁端部加厚段頂板、底板和腹板厚28mm，跨中段頂板、底板和腹板厚16mm。

下部結(jié)構(gòu)采用混凝土橋臺，基礎(chǔ)采用樁徑為1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋臺靠河一側(cè)橫向通過挖空設(shè)置為多肋，行人在橋下通行時，視線通透，視覺效果好。橋梁根部橫斷面布置圖與橋梁效果圖如圖2～圖3所示。

圖2 橋梁根部橫斷面布置圖(單位：cm)

圖3 橋梁效果圖

2.2 鋼箱梁錨固連接設(shè)計

岐陽一路橋采用一跨過河方案，中跨跨徑較大，且需要盡可能降低跨中梁高來滿足景觀與通航要求。因此，主梁只能選擇預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。由于異型剛架橋?qū)儆诙啻纬o定結(jié)構(gòu)，選擇預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生復(fù)雜的次內(nèi)力，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力束設(shè)計與施工難度較大，故，主梁最終采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

該案例初步設(shè)計，采用高強度螺栓摩擦型連接形式，將鋼箱梁錨固在混凝土橋臺上，但根據(jù)試算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼主梁與橋臺連接處剪力與彎矩較大，即使選用規(guī)范中最大型號M30高強度螺栓，一個螺栓也僅能提供355kN的預(yù)拉力，在同時承受剪力與拉力時無法提供足夠承載力。因此，該項目借鑒混合梁結(jié)合部的構(gòu)造設(shè)計，采用φ32預(yù)應(yīng)力鋼筋代替高強度螺栓，每個φ32預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力設(shè)計為735MPa，單根預(yù)應(yīng)力鋼筋提供的預(yù)拉力可達591kN。預(yù)應(yīng)力鋼筋及其配套螺母材料采用40Cr，管道采用φ50 mm金屬波紋管，全橋共布置1128根預(yù)應(yīng)力錨固鋼筋。預(yù)應(yīng)力錨桿連接立面圖、斷面圖分別如圖4～圖5所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿連接立面圖(單位：cm)

圖5 預(yù)應(yīng)力錨桿連接斷面圖(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力錨桿連接的施工步驟如下：

(1)錨墊板、預(yù)應(yīng)力管道、預(yù)應(yīng)力鋼筋及配套螺母、加強鋼筋、橋臺鋼筋等預(yù)埋就位；

(2)澆筑橋臺混凝土；

(3)待混凝土強度達到設(shè)計要求時，首次張拉預(yù)應(yīng)力筋；

(4)橋面附屬施工，注意監(jiān)測預(yù)應(yīng)力錨栓松弛情況，并按監(jiān)控要求對預(yù)應(yīng)力筋進行補拉；

(5)封錨混凝土施工。

3 鋼箱梁主要計算結(jié)果

3.1 建立全橋有限元分析模型

利用有限元軟件MIDAS CIVIL建立全橋空間梁格模型，對橋梁進行整體計算分析。主梁、橋臺和樁基均采用梁單元進行模擬，由于剛架橋主梁、橋臺及樁基礎(chǔ)構(gòu)成整體，因此鋼箱梁和橋臺、橋臺和樁基礎(chǔ)單元在連接處固接[3]。

采用土彈簧模擬樁土作用，根據(jù)地質(zhì)資料將單元厚度土層剛度系數(shù)計算出來，然后在層土中間處施加水平土彈簧，樁底采用固結(jié)方式施加豎向土彈簧[4]；溫度效應(yīng)采用整體升、降溫25℃，梯度溫度按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)取值；臺后填土影響采用主動土壓力施加在橋臺上。全橋共分1379個節(jié)點，1362個單元。全橋有限元分析模型如圖6所示。

圖6 全橋有限元分析模型

3.2 鋼箱梁承載力驗算

基本組合下鋼箱梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖分別如圖7～圖8所示，基本組合下剪應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9所示。由圖7可見，鋼箱梁上緣最小正應(yīng)力為-53.9MPa(受壓)，最大正應(yīng)力36.5MPa(受拉)；由圖8可見，鋼箱梁下緣最小正應(yīng)力為-49.7MPa(受壓)，最大正應(yīng)力77.3MPa(受拉)；由圖9可見，鋼箱梁最大剪應(yīng)力47.2MPa。

圖7 基本組合下鋼箱梁上緣正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖8 基本組合下鋼箱梁下緣正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖9 基本組合下鋼箱梁剪應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

該橋鋼箱梁采用Q345qD 鋼材，查規(guī)范得其抗彎、抗剪強度設(shè)計值分別為270MPa和155 MPa?；窘M合下最大正應(yīng)力 77.3MPa(拉應(yīng)力)<270 MPa，出現(xiàn)在跨中底板處；最大剪應(yīng)力47.2MPa<155 MPa，出現(xiàn)在1/4主梁位置處。因此，鋼箱梁抗彎、抗剪強度滿足規(guī)范要求。

3.3 疲勞強度驗算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[5](JTG D64-2015)5.5規(guī)定，該橋整體疲勞驗算采用計算模型Ⅰ(等效車道荷載)。鋼箱梁控制截面在等效車道荷載下正應(yīng)力及剪應(yīng)力，分別如表1～表2所示。

表1 鋼箱梁控制截面正應(yīng)力 MP

MPa

根據(jù)規(guī)范附錄表C.0.2，主梁為構(gòu)造細節(jié)⑤，常幅疲勞極限應(yīng)力為73.6MPa，剪應(yīng)力幅疲勞截止限為45.7MPa。根據(jù)規(guī)范附錄表C.0.3，鋼梁縱、橫向焊縫為手工對接焊縫，構(gòu)造細節(jié)②，常幅疲勞極限應(yīng)力為81.1MPa，剪應(yīng)力幅疲勞截止限為50.3MPa。

由此可知，鋼箱梁疲勞強度驗算滿足規(guī)范要求。

3.4 整體剛度驗算

計算豎向撓度時，按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法并采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇系數(shù)為1.0，活載下鋼箱梁撓度如圖10所示，在活載頻遇值作用下，鋼箱梁最大豎向撓度值為7mm

圖10 活載下鋼箱梁豎向撓度(單位:mm)

4 預(yù)應(yīng)力錨桿連接計算

預(yù)應(yīng)力錨桿連接，通過張拉預(yù)拉力鋼筋壓緊梁端封板與預(yù)埋鋼板，靠接觸面的摩擦力阻止其相互滑移，以達到傳遞外力目的，原理與高強度螺栓摩擦型連接相同，因此，采用高強度螺栓摩擦型連接的計算方法，驗算預(yù)應(yīng)力錨桿連接的抗剪承載力與抗彎承載力。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[6](GB 50017-2017)第11.4.2條，高強度螺栓摩擦型連接應(yīng)按下列規(guī)定計算：

一根預(yù)應(yīng)力錨桿的抗剪承載力設(shè)計值為：

一根預(yù)應(yīng)力錨桿的抗拉承載力設(shè)計值為：

根據(jù)全橋有限元計算結(jié)果，基本組合下主梁端部截面內(nèi)力包絡(luò)值為：

剪力——Q=-8152kN;

彎矩——M=-42924kN·m;

軸力——N=-2251kN。

(1)預(yù)應(yīng)力錨桿連接承受拉力驗算

受力最大的預(yù)應(yīng)力錨桿承受的拉力為：

=189.9kN≤0.8P=472kN

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿連接同時承受剪力與拉力驗算：

受力最大的預(yù)應(yīng)力錨桿承受的剪力為：

由此可知，預(yù)應(yīng)力錨桿連接驗算滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)變高度異型剛架橋跨中梁高較小，橋下視野開闊，且橋面不設(shè)伸縮縫，行車舒適性高，在需要一跨過河、橋下凈空較低且橋下設(shè)置過道的條件下，變高度異型剛架橋能很好地滿足景觀及功能需求。

(2)該橋主梁采用多片鋼箱梁形成多肋結(jié)構(gòu)造型，多條梁底曲線多方位展示結(jié)構(gòu)的線條美，下部結(jié)構(gòu)采用混凝土橋臺，橋臺靠河一側(cè)橫向通過挖空也設(shè)置為多肋，行人在橋下通行時，視線通透，視覺效果好。

(3)該橋設(shè)計難點在于如何將鋼箱梁錨固在整體式橋臺上，由于鋼箱梁根部錨固處剪力和彎矩較大，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋代替高強度螺栓，通過張拉預(yù)拉力鋼筋壓緊鋼箱梁梁端封板與預(yù)埋在混凝土橋臺里的鋼板實現(xiàn)錨固連接，計算結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿連接可以提供足夠承載力。