上飛燕式鋼箱拱橋方案比選及整體計算分析

盧元剛

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

根據(jù)阜陽泉河、沙潁河城區(qū)段橋梁建設規(guī)劃，阜陽城區(qū)段遠期將達到14座跨河橋梁，構成規(guī)模宏大的橋梁群，未來橋梁群景觀將成為兩岸景觀的最大展示面之一。

向陽路潁河大橋位于阜陽潁河三角洲公園區(qū)域，未來城市發(fā)展中心區(qū)域。根據(jù)橋梁群整體景觀規(guī)劃，本項目采用上飛燕式三跨拱橋,如圖1所示。橋梁立面如飛燕式造型，拱圈立面猶如兩條絲帶從拱頂飄落，與橋面完美順接；橫斷面上看，配合曲線X形風撐，呈門式造型。上飛燕鋼箱拱橋展現(xiàn)自身曲線流暢，整體對稱、柔和之特點，與周圍環(huán)境參差錯落互補，唱響城市發(fā)展的優(yōu)美和諧的主旋律。

圖1 橋梁總體方案圖

1 上飛燕式鋼箱拱橋總體方案及橋面系結構比選

向陽路潁河大橋主橋跨徑布置為(47+148+47) m，主橋全長242 m，為上飛燕式梁拱組合橋梁。在此結構基礎上，主跨與兩側邊跨構成三跨連續(xù)梁拱組合受力體系，其中主跨本身為下承式系桿拱橋，系桿為剛性系桿[1,2]。

拱圈為雙片鋼箱拱結構，在橋梁總體設計階段針對橋面系材料類型及結構形式開展了比較分析，推薦方案采用鋼橋面系，鋼縱梁及正交異性鋼橋面板，如圖2所示；比較方案采用混凝土橋面系，預應力混凝土縱梁及混凝土橋面板，如圖3所示。

1.1 兩種橋面系設計方案[3]

推薦方案中，鋼橋面系鋼縱梁高2.5 m，寬2.0 m?？v梁頂?shù)装?、腹板均?4 mm厚鋼板。鋼縱梁結構作為主受力結構，承受拱圈的水平推力。橫向鋼橫隔梁順橋向間距3.0 m，橫梁鋼板厚20 mm，橫梁與兩側主系梁通過高強螺栓連接。橋面板采用正交異性鋼橋面板，厚度16 mm，橋面板U肋采用8 mm鋼板壓制成的U形閉口肋。

圖2 鋼橋面系標準橫斷面(推薦方案)

圖3 混凝土橋面系標準橫斷面(比較方案)

比較方案中，混凝土橋面系由預應力混凝土系梁、中橫梁、端橫梁組成的框架式結構體系。系梁跨中為箱型結構，端部為適應拱腳受力需要采用實心截面，中橫梁采用帶馬蹄的“T”型混凝土截面，端橫梁為單箱三室結構，縱橫梁均采用預應力混凝土結構，橋面板采用混凝土橋面板。

1.2 考慮總體外形及拱梁銜接錨固構造因素的主梁結構形式比選

混凝土橋面系方案中，混凝土主梁與鋼拱圈結合處較難以處理，鋼混結合處構造復雜，施工控制難度大；拱腳需做較大的混凝土底座，如圖4所示。

圖4 混凝土橋面系梁拱節(jié)點構造方案

圖5 鋼橋面系梁拱節(jié)點構造方案

鋼橋面系方案中,拱腳處拱圈上、下緣線為二次拋物線與圓弧線的組合線形，局部采用小半徑圓弧線進行過渡，主梁與拱圈過渡流暢，如圖5所示。同時拱梁銜接處，拱腳腹板與主梁腹板采用整體大節(jié)點鋼板，鋼拱腳、鋼主梁推力及彎矩傳力明確。

1.3 考慮拱圈、主梁受力因素的主梁結構形式比選

1.3.1 兩橋面系方案中拱圈應力情況[4]

采用鋼橋面系方案，在使用階段主拱最大壓應力為165.3 MPa，發(fā)生在拱橋與邊跨銜接處；最大拉應力為65.9 MPa，發(fā)生在主、副拱分叉處，主拱肋受力較為均勻，如圖6所示。

圖6 主拱使用階段最大應力(單位：MPa)

用混凝土主梁及混凝土橋面板方案，主梁自重為鋼主梁的5倍，拱圈應力中的壓應力不滿足規(guī)范要求，需考慮拱圈內灌注混凝土，在矩形拱圈截面四角位置處，鋼管混凝土灌注施工難度大。

1.3.2 兩橋面系方案中主縱梁應力情況

本橋采用三跨梁拱組合體系拱橋，系梁彎矩圖如圖7所示。

從圖7看出，由于中跨系梁荷載已經(jīng)通過吊桿傳遞至拱橋，中跨系梁類似單跨系桿拱橋較小，彎矩較小，主梁高度較小。但邊跨，無吊桿位置處，特別是在主墩位置，上緣負彎矩較大，主墩墩頂位置受力類似于連續(xù)梁。

預應力混凝土主梁方案，中跨主梁通過吊桿將荷載傳遞至拱圈，中跨彎矩較?。贿吙?特別是主墩頂)彎矩較大，所需主梁高度較大，且主梁上緣需要布置較大的預應力束抵消墩頂負彎矩，邊、中跨主梁過渡及預應力錨固困難。

鋼主梁橋面系方案鋼材受壓、拉性能基本相同，僅需墩頂處適當增大主梁高度，無須預應力體系，構造簡單，邊、中跨主梁受力及構造流暢。

本項目橋梁總體方案研究比較中，綜合上述橋面系方案的外形景觀流暢性、結構形式、受力性能、施工難度及橋面耐久性等因素，最終本項目設計中采用了鋼主縱梁、鋼橋面系結構形式。

2 橋梁施工及使用階段整體計算分析

2.1 計算模型及結構驗算控制標準

本橋總體靜力分析采用MIDAS空間桿系有限元模型進行分析。主梁模型采用兩側系梁+鋼橋面板梁單元，主拱模型采用雙拱肋單元模型，吊桿、系桿采用桁架單元模[6]，全橋共離散成890個單元；主拱通過剛性連接與邊跨鋼箱梁連接，計算模型如圖8所示。

圖8 計算模型

施工及設計階段相關結構強度及位移控制標準如下：

(1)Q345D鋼材強度控制標準

全橋鋼結構均采用Q345D鋼材，其強度驗算結果的控制標準如下表1：

表1 鋼材強度設計值

(2)吊桿應力及應力幅控制標準

參照《公路斜拉橋設計細則》(D65-01-2007)3.4.1條規(guī)定，斜拉索在運營狀態(tài)下的安全系數(shù)不得小于2.5，拉索的允許應力為：

[σ]≤0.4fpk=0.4×1860=744 MPa

應力幅：

Δσ≤200 MPa

(3)拱、梁擾度控制標準

針對拱橋規(guī)范沒有做出具體規(guī)定，參照梁橋容許撓度取為1/600L，其中L為橋梁跨徑。對于本橋，在活載作用下，各類構件其撓度允許值取如下：

主拱擾度限制 [s]=148000/ 600=246.7mm

鋼縱梁擾度限制[s]=148000/ 600=246.7mm

2.2 施工階段橋梁整體計算分析

本橋施工方法推薦采用先梁后拱支架施工方法，具體施工過程如下[5]：

表2 施工流程表

施工階段最大受拉、受壓應力包絡圖如圖9所示，在施工階段最大拉應力為118 MPa，發(fā)生在中跨支座位置的系梁上。最大壓應力為127 MPa，發(fā)生在主跨拱肋與鋼縱梁相接處(拱腳位置)。

圖9 施工階段應力包絡圖

2.3 使用階段橋梁整體計算分析

2.3.1 拱圈使用階段應力驗算

在使用階段,主拱最大壓應力為165.3 MPa，發(fā)生在拱腳位置處；最大拉應力為65.9 MPa，發(fā)生在S10分叉處，如圖10所示。主拱肋受力較為均勻，處于受壓狀態(tài)，小于表1中所列的鋼材強度設計值。

圖10 主拱使用階段應力(包絡圖)

2.3.2 鋼縱梁使用階段應力驗算

在使用階段，鋼系梁最大壓應力為156.1 MPa，發(fā)生在中支座附近。最大拉應力為122.6 MPa，發(fā)生在中支座附近，如圖11所示。鋼系梁應力能滿足強度要求[7，8]。

圖11 鋼縱梁使用階段應力

3 曲線風撐構造設計及橋梁整體穩(wěn)定性分析

本橋梁橫橋向，全橋由雙片拱圈組成，拱圈間距為35 m。雙片拱圈間通過X形曲線風撐進行連接，如圖12所示，以保證拱圈的橫向穩(wěn)定性。

圖12 向陽路橋曲線風撐實景圖

采用MIDAS 建立空間桿系有限元模型對全橋進行整體穩(wěn)定分析，計算全橋的穩(wěn)定特性。

按照引起主拱肋軸向壓力最不利作用進行穩(wěn)定性計算，所考慮的作用包括恒載、二期恒載、溫度影響力(升溫)和吊桿力和系桿力、活載(人群+車道荷載)(使拱頂產生最大軸力的加載布置)[9]。屈曲分析得到前3階臨界荷載系數(shù)見表2，第1～3階失穩(wěn)模態(tài)，如圖13所示。

表2 臨界荷載系數(shù)

考慮恒載、二期恒載、升溫、吊桿力和系桿力、活載(使拱頂產生最大軸力的加載布置)進行屈曲分析，得到最小臨界荷載系數(shù)為12.26，滿足規(guī)范要求[10]。

4 結 論

上飛燕式梁拱組合體系鋼箱拱橋結構新穎，拱圈遒勁有力，造型優(yōu)美；橋梁結構綜合拱橋和梁橋受力優(yōu)點，發(fā)揮各自優(yōu)勢，體系組合結構合理性。

本文首先針對該橋型總體方案中橋面系結構形式進行比選，綜合構造設計、橋梁受力、景觀及施工難度等因素，確定該橋型采用正交異性鋼橋面板的合理性。

同時通過對結構的綜合研究和計算分析，研究了潁河向陽路大橋的總體受力性能，分析了結構在施工過程、使用過程中的結構受力狀況，通過計算分析看出：

(1)在施工階段最大拉應力為118 MPa，發(fā)生在中跨支座位置的系梁上，最大壓應力為127 MPa，發(fā)生在主跨拱肋與鋼縱梁相接處(拱腳位置)。

(2)在使用階段，主拱最大應力為165.3 MPa，發(fā)生在拱腳位置處。

(3)在使用階段，鋼系梁最大壓應力為156.1 MPa，發(fā)生在中支座附近，橋梁結構各構件應力滿足規(guī)范要求，在各構件結構驗算控制標準范圍內。

最后針對曲線風撐，考慮恒載、二期恒載、升溫、吊桿力、活載(使拱頂產生最大軸力的加載布置)進行屈曲分析，得到最小臨界荷載系數(shù)為12.26，橋梁整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。