下承式鋼箱網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
——以引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道姥山橋?yàn)槔?/h1>
2022-07-10 15:01:32方正東張浩
安徽建筑 2022年6期 關(guān)鍵詞：施工設(shè)計(jì)
方正東，張浩
（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.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 工程概況
引江濟(jì)淮自南向北劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。本項(xiàng)目位于引江濟(jì)淮兆河段，兆西河通江Ⅰ級(jí)航道是貫徹落實(shí)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要項(xiàng)目，引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道橋梁通航凈高不小于22m，航道底寬為90m，底標(biāo)高為-0.2m。
2 總體設(shè)計(jì)
主橋?yàn)閱慰缦鲁惺戒撓涮峄@系桿拱橋，跨徑布置為190m。主橋全寬14.8m，橋面布置為：2.5m（人行道）+1.75m（拉索區(qū)）+0.5m（防撞護(hù)欄）+9.0m（行車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+1.75m（拉索區(qū)）+2.5m（人行道）=18.5m。拱圈及主縱梁均采用鋼箱結(jié)構(gòu)；橋面系采用組合式橋面板，瀝青混凝土橋面鋪裝；下部結(jié)構(gòu)采用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。
圖1 姥山橋主橋橋型布置圖（單位：cm）
圖2 姥山橋效果圖
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 拱肋設(shè)計(jì)
主拱為兩片鋼箱拱，單片拱肋整體傾斜布置，內(nèi)傾角度為6.5°（與鉛垂面夾角）。拱肋中心跨徑為187.2m，立面矢高為37.4m。肋拱軸線在拱肋所在平面內(nèi)采用懸鏈線，懸鏈線拱軸系數(shù)m=1.3。
拱肋截面采用矩形截面。寬1.5m，高2.0m，腹板伸出頂?shù)装甯?0mm，通過(guò)不同板厚來(lái)適應(yīng)不同區(qū)域的受力要求，頂?shù)装搴穸葹?8mm～28mm，腹板厚度為18mm～32mm，拱肋縱向加勁肋采用板式加勁，間距為500mm，厚度為18mm和20mm。橫向隔板與拱軸線垂直，板厚為14mm。吊桿處設(shè)橫隔板，橫隔板板厚為20mm。拱肋在拱軸線所在平面內(nèi)設(shè)置預(yù)拱度。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節(jié)點(diǎn)板，板厚為32mm。
2.2 橋面系設(shè)計(jì)
主橋鋼箱梁由兩個(gè)主縱梁、橫梁和橋面板組成。為適應(yīng)拱腳處整體式節(jié)點(diǎn)板設(shè)置需要，主縱梁為平行四邊形布置，腹板與底板夾角為83.5°?？v梁腹板間距1.5m，梁高2.0m。
圖3 機(jī)動(dòng)車橋面系
橫梁間距3.6m，每7.2m設(shè)置一組斜向的吊桿，吊桿與水平線夾角均為66°。橫向兩道主縱梁間布置1道小縱梁，小縱梁頂寬0.65m，底寬0.44m，梁高0.8m。主梁端橫梁高2.064～2.168m，順橋向長(zhǎng)3m。
橋面板為鋼筋混凝土板，采用分塊預(yù)制，板間現(xiàn)澆濕接縫連接，橫向分為兩塊預(yù)制，橋面板厚度為26cm。預(yù)制板采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接縫采用C50微膨脹混凝土。預(yù)制橋面板必須存放6個(gè)月以上方可安裝，以減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響。
2.3 吊桿設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)吊桿要求具有可更換性。吊桿采用Φ15.2-7鋼絞線整束擠壓式吊桿體系。吊桿索直接承受來(lái)自組合梁的恒載及汽車、人群等活載，是下承式拱橋傳力鏈中的重要一環(huán)。本橋吊桿沿橋軸水平向吊點(diǎn)（對(duì)向一組吊桿設(shè)計(jì)交點(diǎn)位于梁底面）標(biāo)準(zhǔn)中心距為7.2m。吊桿采用鋼絞線整束擠壓式拉索體系，HDPE護(hù)套索體，上下端均采用銷鉸式錨固。
3 施工方案
本橋施工方法推薦采用先梁后拱支架施工方法。具體施工流程如下：
①施工下部結(jié)構(gòu)，主橋兩側(cè)設(shè)置節(jié)段臨時(shí)存放場(chǎng)地及節(jié)段提升、拼焊工作站；
②全橋范圍內(nèi)除中跨預(yù)留臨時(shí)通航孔道外全部設(shè)置鋼管導(dǎo)梁基礎(chǔ)，架設(shè)貝雷片構(gòu)成施工平臺(tái)（臨時(shí)通航孔凈空應(yīng)結(jié)合通航安全評(píng)估報(bào)告并根據(jù)主管部門要求確定）；
③搭設(shè)支架，所有支架要求牢固，必須通過(guò)120%超載預(yù)壓以滿足施工要求；
④逐節(jié)吊裝拼焊鋼系梁節(jié)段、鋼橫梁；
⑤搭設(shè)用于安裝拱肋及風(fēng)撐的支架、汽車吊配和拼焊拱肋；
⑥逐節(jié)吊裝拱圈、風(fēng)撐，精確調(diào)整線性后焊接成型；
⑦同步安裝錨索，拆除拱肋支架；
⑧準(zhǔn)確測(cè)量吊桿長(zhǎng)度，下料、穿索，對(duì)稱收緊各吊桿；
⑨在吊桿廠家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下張拉吊桿，并實(shí)測(cè)系梁、拱肋撓度變化與理論值校核；
⑩從中間往兩端對(duì)稱安裝預(yù)制橋面板，預(yù)制橋面板存梁期要求不小于6個(gè)月；
?拆除臨時(shí)支架,澆筑橋面板濕接縫；
?張拉柔性系桿；
?施工橋面鋪裝及橋梁附屬設(shè)施；
?荷載試驗(yàn)，成橋通車。
4 結(jié)構(gòu)計(jì)算
在全橋總體結(jié)構(gòu)分析中考慮拱肋、系梁、橋面系、吊桿共同作用，計(jì)算恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。根據(jù)施工步驟進(jìn)行施工及運(yùn)營(yíng)階段模擬分析，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）對(duì)施工階段及成橋階段進(jìn)行各種荷載組合計(jì)算。
4.1 靜力計(jì)算
4.1.1 計(jì)算模型
本橋的總體靜力分析采用空間桿系有限元模型進(jìn)行分析。計(jì)算軟件采用MIDAS完成。
橋面系采用縱橫梁模型。吊桿、系桿采用桁架單元模擬，拱肋、采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖4所示。
圖4 計(jì)算模型
4.1.2 計(jì)算結(jié)果
在持久設(shè)計(jì)狀況基本組合下，主拱的最大壓應(yīng)力為168.9MPa，發(fā)生在拱肋四分點(diǎn)位置附近；最大拉應(yīng)力為138.1MPa，發(fā)生在系梁四分點(diǎn)位置。主拱肋及系梁受力較為均勻，均小于Q345qD鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力270MPa。
圖5 拱圈應(yīng)力包絡(luò)圖
圖6 鋼縱梁應(yīng)力包絡(luò)圖
圖7 鋼縱梁應(yīng)力包絡(luò)圖
在持久設(shè)計(jì)狀況基本組合下橫梁及小縱梁的最大壓應(yīng)力為152.3MPa，最大拉應(yīng)力為167.5MPa；橋面系均小于Q345qD鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力270MPa。
圖8 一階失穩(wěn)模態(tài)圖
4.2 穩(wěn)定分析
按照引起主拱肋軸向壓力最不利作用進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，所考慮的作用包括恒載（常量）、二期恒載、溫度影響力（升溫）和溫度梯度、吊桿力、活載（使拱腳產(chǎn)生最大軸力的加載布置）。屈曲分析得到最小臨界荷載系數(shù)為6.0，滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)論
本文重點(diǎn)介紹了引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道姥山橋設(shè)計(jì)和施工方案。該橋結(jié)構(gòu)形式為190m下承式鋼箱提籃網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋。采用雙倍網(wǎng)狀吊桿，使拱肋截面更為纖細(xì)，減小結(jié)構(gòu)自重，通過(guò)對(duì)網(wǎng)狀吊桿結(jié)構(gòu)的靜力及穩(wěn)定分析，可為同類橋型設(shè)計(jì)提供參考，是安徽省內(nèi)網(wǎng)狀吊桿結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步嘗試。
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方正東，張浩
（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.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 工程概況
引江濟(jì)淮自南向北劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落。本項(xiàng)目位于引江濟(jì)淮兆河段，兆西河通江Ⅰ級(jí)航道是貫徹落實(shí)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要項(xiàng)目，引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道橋梁通航凈高不小于22m，航道底寬為90m，底標(biāo)高為-0.2m。
2 總體設(shè)計(jì)
主橋?yàn)閱慰缦鲁惺戒撓涮峄@系桿拱橋，跨徑布置為190m。主橋全寬14.8m，橋面布置為：2.5m（人行道）+1.75m（拉索區(qū)）+0.5m（防撞護(hù)欄）+9.0m（行車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+1.75m（拉索區(qū)）+2.5m（人行道）=18.5m。拱圈及主縱梁均采用鋼箱結(jié)構(gòu)；橋面系采用組合式橋面板，瀝青混凝土橋面鋪裝；下部結(jié)構(gòu)采用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。
圖1 姥山橋主橋橋型布置圖（單位：cm）
圖2 姥山橋效果圖
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 拱肋設(shè)計(jì)
主拱為兩片鋼箱拱，單片拱肋整體傾斜布置，內(nèi)傾角度為6.5°（與鉛垂面夾角）。拱肋中心跨徑為187.2m，立面矢高為37.4m。肋拱軸線在拱肋所在平面內(nèi)采用懸鏈線，懸鏈線拱軸系數(shù)m=1.3。
拱肋截面采用矩形截面。寬1.5m，高2.0m，腹板伸出頂?shù)装甯?0mm，通過(guò)不同板厚來(lái)適應(yīng)不同區(qū)域的受力要求，頂?shù)装搴穸葹?8mm～28mm，腹板厚度為18mm～32mm，拱肋縱向加勁肋采用板式加勁，間距為500mm，厚度為18mm和20mm。橫向隔板與拱軸線垂直，板厚為14mm。吊桿處設(shè)橫隔板，橫隔板板厚為20mm。拱肋在拱軸線所在平面內(nèi)設(shè)置預(yù)拱度。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節(jié)點(diǎn)板，板厚為32mm。
2.2 橋面系設(shè)計(jì)
主橋鋼箱梁由兩個(gè)主縱梁、橫梁和橋面板組成。為適應(yīng)拱腳處整體式節(jié)點(diǎn)板設(shè)置需要，主縱梁為平行四邊形布置，腹板與底板夾角為83.5°?？v梁腹板間距1.5m，梁高2.0m。
圖3 機(jī)動(dòng)車橋面系
橫梁間距3.6m，每7.2m設(shè)置一組斜向的吊桿，吊桿與水平線夾角均為66°。橫向兩道主縱梁間布置1道小縱梁，小縱梁頂寬0.65m，底寬0.44m，梁高0.8m。主梁端橫梁高2.064～2.168m，順橋向長(zhǎng)3m。
橋面板為鋼筋混凝土板，采用分塊預(yù)制，板間現(xiàn)澆濕接縫連接，橫向分為兩塊預(yù)制，橋面板厚度為26cm。預(yù)制板采用C50混凝土，現(xiàn)澆濕接縫采用C50微膨脹混凝土。預(yù)制橋面板必須存放6個(gè)月以上方可安裝，以減少混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響。
2.3 吊桿設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)吊桿要求具有可更換性。吊桿采用Φ15.2-7鋼絞線整束擠壓式吊桿體系。吊桿索直接承受來(lái)自組合梁的恒載及汽車、人群等活載，是下承式拱橋傳力鏈中的重要一環(huán)。本橋吊桿沿橋軸水平向吊點(diǎn)（對(duì)向一組吊桿設(shè)計(jì)交點(diǎn)位于梁底面）標(biāo)準(zhǔn)中心距為7.2m。吊桿采用鋼絞線整束擠壓式拉索體系，HDPE護(hù)套索體，上下端均采用銷鉸式錨固。
3 施工方案
本橋施工方法推薦采用先梁后拱支架施工方法。具體施工流程如下：
①施工下部結(jié)構(gòu)，主橋兩側(cè)設(shè)置節(jié)段臨時(shí)存放場(chǎng)地及節(jié)段提升、拼焊工作站；
②全橋范圍內(nèi)除中跨預(yù)留臨時(shí)通航孔道外全部設(shè)置鋼管導(dǎo)梁基礎(chǔ)，架設(shè)貝雷片構(gòu)成施工平臺(tái)（臨時(shí)通航孔凈空應(yīng)結(jié)合通航安全評(píng)估報(bào)告并根據(jù)主管部門要求確定）；
③搭設(shè)支架，所有支架要求牢固，必須通過(guò)120%超載預(yù)壓以滿足施工要求；
④逐節(jié)吊裝拼焊鋼系梁節(jié)段、鋼橫梁；
⑤搭設(shè)用于安裝拱肋及風(fēng)撐的支架、汽車吊配和拼焊拱肋；
⑥逐節(jié)吊裝拱圈、風(fēng)撐，精確調(diào)整線性后焊接成型；
⑦同步安裝錨索，拆除拱肋支架；
⑧準(zhǔn)確測(cè)量吊桿長(zhǎng)度，下料、穿索，對(duì)稱收緊各吊桿；
⑨在吊桿廠家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下張拉吊桿，并實(shí)測(cè)系梁、拱肋撓度變化與理論值校核；
⑩從中間往兩端對(duì)稱安裝預(yù)制橋面板，預(yù)制橋面板存梁期要求不小于6個(gè)月；
?拆除臨時(shí)支架,澆筑橋面板濕接縫；
?張拉柔性系桿；
?施工橋面鋪裝及橋梁附屬設(shè)施；
?荷載試驗(yàn)，成橋通車。
4 結(jié)構(gòu)計(jì)算
在全橋總體結(jié)構(gòu)分析中考慮拱肋、系梁、橋面系、吊桿共同作用，計(jì)算恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。根據(jù)施工步驟進(jìn)行施工及運(yùn)營(yíng)階段模擬分析，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）對(duì)施工階段及成橋階段進(jìn)行各種荷載組合計(jì)算。
4.1 靜力計(jì)算
4.1.1 計(jì)算模型
本橋的總體靜力分析采用空間桿系有限元模型進(jìn)行分析。計(jì)算軟件采用MIDAS完成。
橋面系采用縱橫梁模型。吊桿、系桿采用桁架單元模擬，拱肋、采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖4所示。
圖4 計(jì)算模型
4.1.2 計(jì)算結(jié)果
在持久設(shè)計(jì)狀況基本組合下，主拱的最大壓應(yīng)力為168.9MPa，發(fā)生在拱肋四分點(diǎn)位置附近；最大拉應(yīng)力為138.1MPa，發(fā)生在系梁四分點(diǎn)位置。主拱肋及系梁受力較為均勻，均小于Q345qD鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力270MPa。
圖5 拱圈應(yīng)力包絡(luò)圖
圖6 鋼縱梁應(yīng)力包絡(luò)圖
圖7 鋼縱梁應(yīng)力包絡(luò)圖
在持久設(shè)計(jì)狀況基本組合下橫梁及小縱梁的最大壓應(yīng)力為152.3MPa，最大拉應(yīng)力為167.5MPa；橋面系均小于Q345qD鋼材的設(shè)計(jì)應(yīng)力270MPa。
圖8 一階失穩(wěn)模態(tài)圖
4.2 穩(wěn)定分析
按照引起主拱肋軸向壓力最不利作用進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，所考慮的作用包括恒載（常量）、二期恒載、溫度影響力（升溫）和溫度梯度、吊桿力、活載（使拱腳產(chǎn)生最大軸力的加載布置）。屈曲分析得到最小臨界荷載系數(shù)為6.0，滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)論
本文重點(diǎn)介紹了引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道姥山橋設(shè)計(jì)和施工方案。該橋結(jié)構(gòu)形式為190m下承式鋼箱提籃網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋。采用雙倍網(wǎng)狀吊桿，使拱肋截面更為纖細(xì)，減小結(jié)構(gòu)自重，通過(guò)對(duì)網(wǎng)狀吊桿結(jié)構(gòu)的靜力及穩(wěn)定分析，可為同類橋型設(shè)計(jì)提供參考，是安徽省內(nèi)網(wǎng)狀吊桿結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步嘗試。
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