帶鋼箱副拱鋼筋混凝土系桿拱橋組合體系設(shè)計

丁 毅

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

1 工程背景

大沽河沿岸城市景觀走廊帶作為青島市重點打造的城市景觀名片，同時規(guī)劃了13 座跨河橋梁構(gòu)造物，建設(shè)部門更是提出了“橋梁博物館、一橋一文化、一橋一景觀”的目標(biāo)要求。落藥河為大沽河的支流，落藥河大橋位于平度市南村鎮(zhèn)崖頭村西北約200 m處，跨越東南-西北向落藥河。落藥河大橋與右岸堤壩交于YK62+468 處，現(xiàn)狀主河槽寬80 m，深6.5 m，堤壩無跨河橋梁，嚴(yán)重影響兩岸生產(chǎn)生活出行需求，迫切需要新增一座橋梁溝通兩岸交通。結(jié)合上下游橋型進(jìn)行綜合景觀設(shè)計，由于系桿拱橋具有受力明確、施工便捷、造型優(yōu)美等特點，同時為了順接拱軸線形，兩側(cè)各設(shè)置一道副拱，經(jīng)綜合比選，最終落藥河大橋采用上承式帶鋼箱副拱鋼筋混凝土組合系桿拱橋方案。

2 設(shè)計方案

設(shè)計跨徑組合為2×25 m+70 m+2×25 m，橋型布置見圖1。其中主跨為鋼筋混凝土系桿拱橋，矢高14 m，矢跨比1 ∶5，引橋為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。

圖1 橋型布置/cm

拱軸線采用二次拋物線，拱肋為高160 cm、寬140 cm、肋厚120 cm 的工字形斷面。拱肋采用支架分段現(xiàn)澆，對稱施工，通過濕接縫連接；副拱鋼箱根據(jù)現(xiàn)場施工條件分段工場預(yù)制，現(xiàn)場拼裝焊接。系梁采用高180 cm，寬150 cm 的矩形箱形斷面，為抵抗拱腳的水平推力，在系梁內(nèi)設(shè)置16 束9ΦS15.24鋼絞線。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

拱橋作為空間受力結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力、動力和穩(wěn)定性分析應(yīng)作為計算重點。采用橋梁博士進(jìn)行縱向和橫向分析，平面計算模型見圖2，采用Midas 進(jìn)行動力、穩(wěn)定性分析和復(fù)核?？傮w計算根據(jù)橋梁施工流程劃分結(jié)構(gòu)計算階段，計算工況見表1，根據(jù)荷載組合要求的內(nèi)容進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力、極限承載力計算，驗算結(jié)構(gòu)在施工階段、運(yùn)營階段應(yīng)力、極限承載力及整體剛度是否符合規(guī)范要求。

圖2 平面計算模型

表1 計算工況組合

3.1 應(yīng)力計算

通過平面模型計算，最不利組合主拱、副拱應(yīng)力包絡(luò)圖見圖3、圖4。

圖3 最不利組合主拱應(yīng)力包絡(luò)圖/MPa

圖4 最不利組合副拱應(yīng)力包絡(luò)圖/MPa

通過結(jié)果分析，拱肋在使用階段的最大壓應(yīng)力為9.82 MPa，出現(xiàn)在拱腳與系梁結(jié)合處上緣，最小壓應(yīng)力為3.29 MPa，出現(xiàn)在L/4 處拱肋下緣；系梁在使用階段的最大壓應(yīng)力為13.08 MPa，出現(xiàn)在系梁與拱肋結(jié)合處下緣，最小壓應(yīng)力為0.51 MPa，出現(xiàn)在系梁空心斷面過渡到實心斷面處下緣。驗算結(jié)果顯示，系梁截面在最不利荷載組合下滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件截面抗裂及應(yīng)力驗算的要求，系梁、拱肋均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。拱肋在使用階段的最大主壓應(yīng)力為8.80 MPa，出現(xiàn)在拱肋與系梁結(jié)合處，最大主拉應(yīng)力為-0.05 MPa，出現(xiàn)在拱肋與系梁結(jié)合處；系梁在使用階段的最大主壓應(yīng)力為11.36 MPa，出現(xiàn)在系梁與拱肋結(jié)合處，最大主拉應(yīng)力為-0.15 MPa，出現(xiàn)在系梁與拱肋結(jié)合處。副拱鋼結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為-100 MPa，出現(xiàn)在和主拱結(jié)合處，最大壓應(yīng)力為60 MPa，出現(xiàn)在L/4 副拱處。所有結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足設(shè)計應(yīng)力幅值要求。

3.2 空間動力特性分析

采用Midas 建立空間模型進(jìn)行動力及穩(wěn)定性分析計算，模型中除橋面鋪裝以均布荷載施加外其余均以實際截面計入，全橋共252 個節(jié)點，273 個單元，除吊桿采用桁架單元、行車道板采用板單元外，拱肋、系梁、橫梁、橫撐均采用梁單元模擬，其中副拱由于對主橋剛度貢獻(xiàn)較小，空間計算模型中作為集中荷載考慮。前兩階振型見圖5、圖6。

圖5 一階振型

圖6 二階振型

前四階動力特性數(shù)值見表2，結(jié)果表明一階振型為豎向反對稱彎曲，施工中應(yīng)重視對稱加載施工。

表2 動力特性

3.3 穩(wěn)定性分析

采用特征值屈曲理論對系桿拱橋進(jìn)行了穩(wěn)定分析，其特征值屈曲荷載因子及其失穩(wěn)模態(tài)見圖7。穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示，考慮恒載、活載、行車風(fēng)等不利因素下，失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向反對稱側(cè)彎失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為85.4，本橋具有較高的穩(wěn)定系數(shù)。

圖7 一階失穩(wěn)模態(tài)

4 結(jié)語

通過方案設(shè)計和受力計算驗證，采用帶鋼箱副拱鋼筋混凝土系桿拱橋組合體系既能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求，也能促進(jìn)橋梁景觀的提升，尤其適用于有景觀需求的城市橋梁。落藥河大橋建成后，為大沽河沿岸帶來了一道靚麗的風(fēng)景線，成為區(qū)域地標(biāo)性建筑。