90 m 提籃系桿拱橋設(shè)計與分析

易 輝，李 爽

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京市 100088）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，對城市景觀橋梁的要求也越來越高。鋼箱系桿拱橋因其結(jié)合了梁與拱兩種結(jié)構(gòu)類型，兼具有拱橋的大跨越能力和簡支梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，拱肋也能在空間上設(shè)計出各種優(yōu)美的造型，在城市景觀橋梁中應(yīng)用越來越廣泛[1]?，F(xiàn)介紹某城市新建一座跨河90 m 鋼箱提籃系桿拱橋，拱肋造型獨(dú)特截面在空間上高度和寬度同時變化，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度21.65 m，橋面系采用鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用V 型實(shí)體墩和群樁基礎(chǔ)。

1 方案設(shè)計

該新建橋梁跨越城市河流，連接歷史文化遺址與新城，作為歷史古城的門戶，景觀要求較高。經(jīng)方案比選研究，主橋采用90 m 鋼箱提籃系桿拱橋。在滿足路線、通航凈空要求及周邊建筑景觀與自然條件協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，橋梁方案以毗鄰互助為主題目標(biāo)進(jìn)行方案設(shè)計，主橋采用提籃系桿拱橋，拱肋造型融進(jìn)流水、樹葉等與當(dāng)?shù)丨h(huán)境文化息息相關(guān)的元素，并將拱肋置于主梁兩側(cè)形成鏤空效果，以增加拱肋的形態(tài)完整感，形態(tài)簡約現(xiàn)代。主橋景觀效果見圖1 所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主要建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計速度：40 km/h；橋?qū)挘?1.65 m，雙向四車道；橋面縱坡4.86%，橫坡雙向2%；設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速：55.5 m/s ；地震動峰值加速度PGA=0.6g；通航凈空寬50 m，高 5 m。

圖1 主橋景觀效果圖

橋位處地質(zhì)條件較差，30 m 范圍內(nèi)無基巖，主墩水深約8 m，基礎(chǔ)設(shè)計及施工難度較大。橋址區(qū)1 000 a 重現(xiàn)期地震動峰值加速度為0.6g，屬強(qiáng)震區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要受地震控制。

2.2 主拱設(shè)計

根據(jù)路線及通航凈空，主橋跨徑為90 m。由于主橋縱坡較大，兩橋墩墩頂高差達(dá)4.37 m，主橋采用“正拱斜置”布置方式，計算跨徑88 m。拱橋常用拱軸線線型有懸鏈線、二次拋物線、圓弧線、多段折線等，合理的拱軸線線型應(yīng)與壓力線吻合[2]。根據(jù)該橋荷載的分布形式，經(jīng)對比分析，拱軸線采用二次拋物線，拱肋豎直平面內(nèi)矢高f=22 m，矢跨比f/L=1/4。

主拱系統(tǒng)由拱肋、橫撐及裝飾板構(gòu)成，為全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，材料采用Q345qD。為實(shí)現(xiàn)景觀效果，兩拱肋斜靠內(nèi)傾29.11°，拱肋截面采用鋼箱矩形截面，截面高度和寬度在空間同時變化。高度由拱腳到拱頂按二次拋物線從3 m 變化到1.6 m，寬度由拱腳到拱頂根據(jù)拱軸線弧長按線性變化從1.6 m 變化到3 m。拱肋橫隔板垂直于拱肋設(shè)置，間距1.5~2 m，吊桿處橫隔板豎直。為增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性，拱肋間設(shè)置9 道“一字”橫向風(fēng)撐，橫撐采用矩形鋼箱斷面，高1.2 m，寬1.48 m。主橋立面布置及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2 所示。

圖2 主橋立面及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

2.3 橋面系

該橋?qū)⑷诵械啦贾糜趦晒袄唛g，同時預(yù)留一定的距離形成鏤空效果，主梁中心距離29 m。鋼箱系桿拱橋常用橋面系形式有正交異性鋼橋面系與鋼混疊合梁橋面系。鋼混疊合梁橋面系因其行車噪聲小、后期養(yǎng)護(hù)維修工作量少等優(yōu)點(diǎn)具有較大的優(yōu)勢，同時考慮到橋位處主梁大節(jié)段運(yùn)輸及吊裝較困難，比選分析后采用密布橫梁與混凝土橋面板相結(jié)合的鋼混疊合梁橋面系。

橋面系由主縱梁、小縱梁、端橫梁、中橫梁及橋面板組成。主縱梁采用全焊平行四邊形截面，高2 m，寬2.082 m，頂?shù)装搴?0 mm，腹板厚20 mm。通過主縱梁承受水平推力，不再設(shè)置柔性系桿。橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距2.75 m，拱腳處端橫梁采用帶肋箱形截面，中橫梁采用工字型截面，梁高2~2.253 m 以適應(yīng)橫坡，橫梁與主縱梁采用焊接連接。橫梁間設(shè)置3 道小縱梁，采用工字型截面，梁高0.4 m，與橫梁采用焊接連接?；炷翗蛎姘搴?.26 m，分塊預(yù)制并存放6 個月以上以減小收縮徐變，吊裝后通過剪力釘及縱橫向濕接縫與橫梁、小縱梁形成整體。

2.4 吊桿

吊桿間距與橫梁間距相對應(yīng)，縱橋向間距5.5 m，拱肋每側(cè)各設(shè)置14 根吊桿，全橋共28 根吊桿。吊桿采用PES7-73 和PES7-85 兩種規(guī)格高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa。其中：靠近拱腳處4 根吊桿采用PES7-85 型，其余吊桿采用PES7-73型。吊桿上端（張拉端）通過錨具錨固于拱肋內(nèi)，下端（固定端）與主縱梁通過耳板銷鉸連接。

2.5 拱梁連接節(jié)點(diǎn)

拱腳處拱肋與主縱梁的連接節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜為受力關(guān)鍵部位，通過采用整體腹板連接節(jié)點(diǎn)板，以消除焊縫等的影響，提高節(jié)點(diǎn)的整體性。

2.6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋橋墩采用V 形實(shí)體墩，同上部拱肋線形呼應(yīng)，增強(qiáng)景觀效果?；A(chǔ)采用13 根直徑2 m 樁基群樁基礎(chǔ)。

2.7 抗震設(shè)計

目前國內(nèi)外采用的結(jié)構(gòu)抗震體系主要有兩類。一類按延性抗震設(shè)計，地震作用下利用墩柱的塑性變形，延長結(jié)構(gòu)周期，耗散地震能量；另一類采用減隔震設(shè)計體系，利用橋梁上下部的連接構(gòu)件發(fā)生塑性變形或增大阻尼，延長結(jié)構(gòu)周期，耗散地震能量，從而減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

該橋位于地震多發(fā)區(qū)，設(shè)計采用減隔震抗震體系，采用摩擦擺減隔震支座。在小震作用下，剪力銷不剪斷；在大震作用下，剪力銷剪斷，通過支座的擺動來耗能。

3 主要計算結(jié)果

該橋計算主要工作包括整體靜力分析、穩(wěn)定性分析、抗震分析和拱腳、拉索、錨固節(jié)點(diǎn)及橋面板局部有限元分析[3-4]。整體靜力分析采用MIDAS CIVIL建立空間有限元模型，如圖3 所示。其中未考慮橋面板的剛度貢獻(xiàn)，吊桿采用桁架單元，其余桿件采用梁單元，并根據(jù)施工順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，全橋共劃分為1 128 個節(jié)點(diǎn)、1 186 個單元、6 個主要施工階段。

圖3 全橋有限元模型

全橋主要計算結(jié)果如表1 所列，主要計算結(jié)論如下：

（1）在最不利組合下，拱肋截面最大壓應(yīng)力121 MPa，橫梁下緣最大拉應(yīng)力214 MPa，主縱梁最大拉應(yīng)力112 MPa，各部分應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

（2）活載作用下，主縱梁最大撓度為32 mm，約為L/2812＜L/800 ，剛度滿足規(guī)范要求。

（3）吊桿最小安全系數(shù)為2.9，最大應(yīng)力幅78 MPa，滿足規(guī)范要求。

（4）經(jīng)對主橋空間穩(wěn)定性分析，最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為5.9，滿足規(guī)范大于4 的要求。

（5）通過采用單振型反應(yīng)譜法和非線性時程分析法進(jìn)行地震反應(yīng)分析，橋梁的抗震性能滿足要求。

表1 主要計算結(jié)果表（表中負(fù)值表示受壓）

4 施工方法

鋼箱系桿拱橋常用的施工方法有先梁后拱法和整體頂推施工法。綜合考慮橋位處場地條件，該橋采用先梁后拱法施工。在滿足通航要求下，在水中設(shè)置多個臨時墩，主要施工步驟如下：

（1）主橋下部結(jié)構(gòu)及臨時墩施工；

（2）安裝主縱梁及端橫梁、中橫梁及小縱梁；

（3）安裝拱肋支架及主拱肋吊裝拼接；

（4）安裝吊桿及混凝土橋面板；

（5）吊桿張拉，濕接縫澆筑及附屬工程施工；

（6）成橋及二次調(diào)索。

5 技術(shù)特點(diǎn)分析

（1）鋼箱系桿拱橋拱肋截面一般采用等截面或變截面，而變截面往往也只在一個方向上變化。該橋拱肋造型獨(dú)特，酷似一枚樹葉，拱肋截面尺寸在空間上寬度和高度同時變化，幾何形狀較復(fù)雜，構(gòu)造設(shè)計難度較大，設(shè)計中采用了BIM 輔助設(shè)計，極大提高了效率。

（2）提籃系桿拱橋拱肋的內(nèi)傾斜角度一般為0~15°，拱肋傾角對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有較大影響，在一定角度范圍內(nèi)隨著傾角的增大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)增大，超過某一角度后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)變小。為滿足造型，該橋?qū)晒袄咝笨績?nèi)傾29.11°，拱肋內(nèi)傾角度加大的同時相當(dāng)于加大了拱腳間距，提高了寬跨比，整體的橫向穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

（3）該橋橋址處地震頻發(fā)，地震動峰值加速度0.6g，設(shè)計中采用減隔震抗震體系，通過支座的擺動，延長結(jié)構(gòu)周期、消耗地震能量，降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，具有較好的效果。

6 結(jié) 語

鋼箱系桿拱橋兼具有拱橋和梁橋的特點(diǎn)，拱肋受壓，系桿受拉并承受一定的彎矩，能充分發(fā)揮材料的性能。該橋雖跨度不大，但拱肋截面變寬變高造型獨(dú)特，并采用減隔震抗震體系，計算表明橋梁受力性能均滿足規(guī)范要求，可供類似組合橋面系鋼箱拱肋系桿拱橋設(shè)計時參考。