中派河特大橋鋼桁架梁設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)分析

殷 亮

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司; 公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 項(xiàng)目概況

引江濟(jì)淮工程由長(zhǎng)江下游上段引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程，是集供水、航運(yùn)、生態(tài)等效益的一項(xiàng)水資源綜合利用工程。

該工程與G3京臺(tái)高速公路中派河大橋老橋交叉。交叉處老橋主橋?yàn)?48+70+48)m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，如圖1所示，現(xiàn)狀通航凈空為60 m×8 m，根據(jù)引江濟(jì)淮工程Ⅱ級(jí)航道通航凈空130.4 m×10 m的尺度要求，需要對(duì)老橋進(jìn)行拆除重建。

圖1 中派河特大橋老橋現(xiàn)狀

新建橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)采用(86+140+96)m三跨下承式變高度鋼桁架梁。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：道路等級(jí)為單向四車道高速公路；荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)速度120 km/h；橋位處通航等級(jí)為Ⅱ級(jí)；地震動(dòng)峰值加速度區(qū)為0.10g。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

主橋采用(86+140+90)m三跨下承式變高度鋼桁架梁橋，如圖2所示，由2片主桁組成，主桁中心距22 m，單幅橋主體結(jié)構(gòu)全寬23.2 m。每個(gè)橋墩處兩片主桁下均設(shè)有豎向剛性支座。下部結(jié)構(gòu)主墩采用圓形實(shí)體柱式墩，過(guò)渡墩采用圓形實(shí)體柱式橋墩接蓋梁，基礎(chǔ)采用群樁接承臺(tái)基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。

圖2 主橋橋跨布置(單位：m)

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

主橋橋面寬度20.25 m，橫斷面布置為0.5 m(防撞護(hù)欄)+19.25 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄),如圖3所示。主桁架中心線間距為22 m，桁架內(nèi)側(cè)與鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄外側(cè)預(yù)留有0.275 m的后期高強(qiáng)螺栓養(yǎng)護(hù)空間。

圖3 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

2.3 主桁

主桁結(jié)構(gòu)采用“W”形桁架，其節(jié)間長(zhǎng)度為8 m至14 m不等，主桁上弦高度采用二次拋物線變化，兩邊跨矢高f=4.5 m，中跨矢高f=14 m。中支點(diǎn)處桁高22.0 m，跨中桁高為7.86 m。主桁結(jié)構(gòu)總立面布置總圖如圖4所示。

圖4 主桁結(jié)構(gòu)總圖(單位：m)

主桁設(shè)有預(yù)拱度，預(yù)拱度通過(guò)節(jié)點(diǎn)直接上移設(shè)置，由上下弦桿及腹桿長(zhǎng)度伸縮形成，主桁預(yù)拱度按照恒載+1/2靜活載撓度曲線值反向設(shè)置。

2.4 橋面系

橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板厚16 mm，下設(shè)“U”形縱向加勁肋，“U”形肋間距600 mm，“U”形肋高280 mm，板厚8 mm，橋面板橫向兩端各設(shè)置一個(gè)板式縱向加勁肋，板肋高160 mm，板厚16 mm。橋面系下設(shè)4道小縱梁，小縱梁高516 mm，腹板厚12 mm，下翼緣寬480 mm，厚16 mm，腹板上端與頂板焊連；在下弦節(jié)點(diǎn)處以及沿橋縱向設(shè)多道橫隔梁(橫隔梁間距為2.5 m至3.0 m不等)，橫隔梁腹板板厚16 mm，腹板上端與橋面板焊接，橫隔梁下翼緣板寬540 mm，厚20 mm。橋面系整體梁高為2 080 mm(橋面板上緣至橫隔板下翼緣頂面)，橋面橫坡由橋面系形成，橋面系材質(zhì)均為Q345qD。

橋面板縱向在節(jié)點(diǎn)附近分段，橋面板橫橋向分為3塊。工地安裝時(shí)橋面板及橫隔梁下翼緣均采用熔透焊連接，橫隔梁腹板及小縱梁采用高強(qiáng)度螺栓連接。橋面系與主桁下弦桿連接時(shí)上下翼緣采用熔透焊連接，橫隔梁腹板和主桁下弦桿隔板采用高強(qiáng)度螺栓連接。

2.5 平縱聯(lián)及橋門架

主桁上弦桿間設(shè)菱形平縱聯(lián)，平縱聯(lián)桿件均采用焊接“H”形構(gòu)件，截面高500 mm，上下翼緣寬560 mm。平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板與主桁節(jié)點(diǎn)板采用焊接連接。

主墩處設(shè)有三角形桁架式橋門架，如圖5所示。上弦桿采用焊接箱形桿件，桿件高500 mm，寬480 mm。下弦桿采用焊接“H”形構(gòu)件，截面高448 mm，上下翼緣寬560 mm。橋門架斜腹桿均采用焊接“H”形構(gòu)件，截面高448 mm，上下翼緣寬300 mm。

圖5 橋門架構(gòu)造圖(單位：cm)

縱平聯(lián)橫撐桿及橋門架上下弦桿在安裝時(shí)應(yīng)注意均為水平設(shè)置，因橋面橫坡需要，縱平聯(lián)橫撐桿及橋門架上下弦桿在2片主桁接主桁上弦桿節(jié)點(diǎn)位置分別設(shè)置了向上及向下的188 mm豎向偏心，如圖6所示。

圖6 中支點(diǎn)處平縱聯(lián)布置圖

3 靜力特性及穩(wěn)定

3.1 全橋靜力分析

主橋整體靜力分析采用MIDAS Civil程序進(jìn)行計(jì)算。主桁各桿件，橋面系鋼橫梁、鋼小縱梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元進(jìn)行模擬，如圖7所示。

圖7 空間有限元計(jì)算模型

邊跨恒載加活載撓度為：41 mm，與跨度比1/2 177 小于1/1 600，邊跨不需要設(shè)置預(yù)拱度。中跨恒載加活載撓度為：118 mm，與跨度比1/1182 大于1/1 600，中跨需要設(shè)置預(yù)拱度。

在汽車荷載作用下，中跨最大豎向撓度為53 mm，撓跨比為1/2 644；邊跨的最大豎向撓度為33 mm，撓跨比為1/2 690。主桁邊支點(diǎn)在正常使用狀態(tài)下最小支座反力為945 kN，未出現(xiàn)負(fù)反力。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

利用空間模型進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得到結(jié)構(gòu)一階模態(tài)為中支點(diǎn)橫聯(lián)局部桿件失穩(wěn)，其穩(wěn)定安全系數(shù)為37.4。結(jié)構(gòu)的一階整體失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)為53.9，失穩(wěn)形式為跨中主桁架上弦桿面外失穩(wěn)，滿足整體穩(wěn)定安全系數(shù)K大于4的要求。通過(guò)規(guī)范公式驗(yàn)算，其局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

圖8 結(jié)構(gòu)一級(jí)整體失穩(wěn)模態(tài)

4 主要施工方法

主橋上部結(jié)構(gòu)建議采用支架和懸拼相結(jié)合的施工工藝，在跨中設(shè)置臨時(shí)通航孔，如圖9所示。除通航孔區(qū)域桁架采用懸拼施工外，其余區(qū)域均采用支架施工。

圖9 主要施工方法流程圖

鋼梁安裝工程中需做到：鋼橋面板與主桁同步安裝。主橋合龍前詳細(xì)測(cè)量合龍口兩側(cè)鋼梁的縱橫豎偏移及轉(zhuǎn)角和溫差、日照影響，根據(jù)測(cè)量資料認(rèn)真分析研究調(diào)整方法與步驟。一般先調(diào)整橫向位移，接著調(diào)整縱向位移，再調(diào)整合龍口豎向高差和轉(zhuǎn)角。

鋼桁梁的合龍:順橋向及橫橋向調(diào)整通過(guò)設(shè)置在拼裝支架上的縱、橫向千斤頂實(shí)現(xiàn)，合龍前支架拼裝側(cè)的主梁均為簡(jiǎn)支的靜定結(jié)構(gòu)，主梁起頂和縱移對(duì)整體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生附加作用。

邊跨主梁在支架上拼裝架設(shè)，臨時(shí)工程施工時(shí)應(yīng)考慮在施工過(guò)程中如何保證鋼桁架拱肋的線形，確保支架的強(qiáng)度和剛度；中跨采用臨時(shí)墩的架設(shè)方案，施工前需完善施工通航孔臨時(shí)墩的審批程序及安全保障措施。

施工期間，應(yīng)注意加強(qiáng)水上交通秩序的維護(hù)工作，保障大橋施工和船舶航行的安全，并建議有關(guān)部門制定大橋建設(shè)期間的相關(guān)水上交通安全管理規(guī)定，會(huì)同橋梁建設(shè)單位和航道管理部門共同維護(hù)橋區(qū)安全。

本橋2019年6月開工建設(shè)，于2020年9月建成通車，采用現(xiàn)場(chǎng)裝配式鋼桁架結(jié)構(gòu)，如圖10所示，使工程提前了5個(gè)月通車。

圖10 建成通車照片

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架梁，化整為零、方便運(yùn)輸和架設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)螺栓連接，質(zhì)量可控，響應(yīng)了國(guó)家大力推廣鋼結(jié)構(gòu)的號(hào)召，較好地適應(yīng)了改擴(kuò)建項(xiàng)目對(duì)工期的需求。

(2)主橋上部結(jié)構(gòu)主桁采用二次拋物線變高度設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的等高度平行桁架，結(jié)構(gòu)輕盈美觀, 線條流暢，與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)行較好。

(3)對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)橋梁，通過(guò)適當(dāng)增加中支點(diǎn)處梁高，使其造型與結(jié)構(gòu)受力彎矩圖趨勢(shì)基本一致，可以削減了支點(diǎn)部位的應(yīng)力峰值，減少了鋼材重量,節(jié)省造價(jià)。

(4)通過(guò)在中支點(diǎn)受力較大位置處設(shè)置少量上平聯(lián)和在跨中敞開式構(gòu)造，可以提高鋼桁架結(jié)構(gòu)的行車通透性。