大跨徑連續(xù)鋼桁架拱橋設(shè)計(jì)與分析

柳建設(shè) 杜百計(jì) 吳振 賀強(qiáng)

西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 710068

引言

隨著鋼材防腐技術(shù)的不斷發(fā)展，從資源可再生利用、提高施工速度、減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量等因素考慮，鋼結(jié)構(gòu)橋梁得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。現(xiàn)階段我國(guó)城市橋梁建設(shè)，僅注重通行、防洪等基本功能已不能滿足人們的需求，美觀性、創(chuàng)新性、舒適性往往成為一座大橋方案決策的重要衡量因素。鋼桁架拱橋相比斜拉橋具有剛度大，穩(wěn)定性和抗震性能好的特點(diǎn)［1］，尤其是三跨連續(xù)鋼桁架拱橋，剛勁結(jié)構(gòu)骨架與優(yōu)美的曲線外形相結(jié)合，成就了剛?cè)嵯酀?jì)，相得益彰的建筑效果［2］，在地勢(shì)平坦的地區(qū)市政建設(shè)中，該方案具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

植物園渭河大橋是寶雞市城市西側(cè)一條重要的跨越渭河通道，距上游福譚大橋和下游神農(nóng)大橋均約1.8km。橋址處渭河河道總寬600m，其中河槽寬度140m，河灘寬度460m，百年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為7209m3／s；地貌上屬于渭河河漫灘，地勢(shì)較為平坦；地層主要由密實(shí)的卵石、砂礫以及硬塑的粉質(zhì)黏土組成；橋址位于高烈度區(qū)，無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)。

遵循安全、適用、美觀、環(huán)保、耐久、經(jīng)濟(jì)的原則［3］，綜合考慮橋址處河道、兩側(cè)銜接道路、施工條件等因素，大橋橋梁全長(zhǎng)確定為998.4m，其中引橋?yàn)?0m ～50m跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)；主橋?yàn)槿邕B續(xù)鋼桁架拱橋，長(zhǎng)288m，跨徑布置為（65 ＋158 ＋65）m；兩側(cè)邊跨為平弦鋼桁梁，中跨為剛性拱柔性梁的鋼桁架拱橋，橋型布置如圖1 所示。橋面總寬30m，橫向設(shè)兩榀拱肋，中間22m（2 ×8.25m 機(jī)動(dòng)車道＋2 ×2.75m非機(jī)動(dòng)車道），兩側(cè)各4m（2m拱肋-吊索布置區(qū)＋2m 人行道），橫斷面布置如圖2 所示。非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間設(shè)隔離欄桿，拱肋-吊索布置區(qū)車道側(cè)設(shè)置SA 級(jí)鋼防撞護(hù)欄，人行道與拱肋-吊索布置區(qū)位于同一高程面，這樣布置既保證了行人、吊索、車輛的安全，又?jǐn)U充了人行道寬度，為行人駐足觀景預(yù)留了空間。

圖1 橋型布置（單位： m）Fig.1 Bridge layout（unit：m）

圖2 橫斷面布置（單位： m）Fig.2 Cross-section layout（unit：m）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市主干路。

（2）設(shè)計(jì)車速：40km／h。

（3）汽車荷載等級(jí)：城-A 級(jí)；人群荷載：3.5kPa。

（4）設(shè)計(jì)車道：雙向4 車道＋2 條非機(jī)動(dòng)車道＋拱肋-吊索布置區(qū)＋兩側(cè)人行道。

（5）防洪標(biāo)準(zhǔn)：百年一遇洪水頻率。

（6）抗震設(shè)防：基本烈度8 度，地震動(dòng)峰值加速度0.2g，場(chǎng)地特征周期0.4s，設(shè)防分類為甲類。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主桁架

主桁（材質(zhì)為Q345qD）由邊跨平弦桁梁和中跨鋼桁架拱組成，橫向兩榀桁架間距24m，為了減小中墩處腹桿受力，增加腹桿穩(wěn)定性，主桁中墩處兩節(jié)采用X形腹桿，其余為變高度“N”形腹桿桁架。中跨上弦拱軸線采用二次拋物線，與邊跨平弦間采用反向圓曲線過(guò)渡，圓曲線半徑R＝159.39m，拱頂至中支點(diǎn)高度為45.25m。中跨下弦采用二次拋物線，下弦矢高39.6m，矢跨比約為1／4。為了調(diào)節(jié)中支點(diǎn)靠邊跨側(cè)的受力狀態(tài)，增大中墩豎向構(gòu)件的安全系數(shù)，優(yōu)化立面造型，設(shè)中墩向邊跨下弦桿的斜撐，與中跨下弦形成一個(gè)穩(wěn)定的三角體。該結(jié)構(gòu)自成平衡體系，無(wú)水平推力，沒(méi)有預(yù)應(yīng)力系桿，施工難度低。

桁架中跨跨中桁高6.4m，中支點(diǎn)處桁高23.357m，邊跨處桁高10.9m。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)度7.5m，中支點(diǎn)附近兩節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度11.5m。主桁節(jié)點(diǎn)采用整體式節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板在工廠焊接制作，在工地與腹桿進(jìn)行焊接。

主桁上、下弦桿均采用焊接箱型截面，上弦截面高130cm，寬160cm，頂板、底板、腹板厚度為18mm ～20mm。下弦、斜撐截面高150cm，寬160cm，頂板、底板、腹板厚度為20mm ～32mm。中跨腹桿采用“工”字型截面，高80cm（在與節(jié)點(diǎn)板連接處加高到160cm），寬50cm，腹板厚16mm，翼緣板厚20mm。中支點(diǎn)附近和邊跨腹桿采用箱型截面，高80cm（在與節(jié)點(diǎn)板連接處加高到160cm），寬60cm，板厚20mm。各桿件截面及連接見(jiàn)圖3。

圖3 桿件截面及連接（單位： cm）Fig.3 Rod piece section and connection（unit：cm）

3.2 聯(lián)接系

拱橋的穩(wěn)定性問(wèn)題分為整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和局部桿件穩(wěn)定性，而局部桿件失穩(wěn)往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，需綜合平衡兩部分的穩(wěn)定性。為了減小壓桿有效計(jì)算長(zhǎng)度，常規(guī)桁架橋每個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)置橫向聯(lián)接構(gòu)件。本橋?yàn)榱嗽鰪?qiáng)橋面以上空間的通透性，簡(jiǎn)化連接，拱肋間平聯(lián)采用間隔布置，除中支點(diǎn)處為三節(jié)間一組外，其余均為兩節(jié)間一組，每組根據(jù)不同位置由“一”字桁架橫撐、剪刀撐、K形撐組合而成。全橋共設(shè)置了上平聯(lián)、下平聯(lián)、拱腳平聯(lián)三套平聯(lián)系統(tǒng)，同時(shí)適當(dāng)增加了上下弦寬度，以提高主桁架的穩(wěn)定性。平聯(lián)桿件均采用箱型截面，高80cm（上、下平聯(lián)在與節(jié)點(diǎn)板連接處分別加高到130cm、150cm），寬60cm，板厚16mm。平聯(lián)與上下弦之間連接均采用節(jié)點(diǎn)板焊接連接，材質(zhì)為Q345qD，聯(lián)接系見(jiàn)圖4。

圖4 聯(lián)接系（單位： m）Fig.4 Connection system（unit：m）

3.3 吊索

中跨鋼桁架拱共布置17 對(duì)吊索，吊索間距7.5m，最大長(zhǎng)度29.6m，最短吊索長(zhǎng)度7.7m。吊索選用OVM. GJ15-15 鋼絞線整束擠壓吊索，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa，上端通過(guò)叉形耳板與下弦桿預(yù)留耳板銷接，下端穿過(guò)系梁，錨固于系梁底部，下端張拉。

3.4 橋面系

橋面系如圖5 所示，由系梁（邊跨為下弦）、橫梁、挑梁、橋面板、小縱梁組成整體格構(gòu)，材質(zhì)為Q345qD。中跨荷載先由橋面板和小縱梁傳遞給橫梁，再經(jīng)橫梁傳遞給系梁，最終通過(guò)吊索傳遞給主桁架，受力明確。

圖5 橋面系（單位： m）Fig.5 Bridge deck system（unit：m）

系梁采用焊接箱型截面，橫向設(shè)兩道，截面高1.5m，寬1.6m，板厚18mm ～32mm，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m。

除在兩側(cè)邊支點(diǎn)、拱肋與系梁交匯處各設(shè)置一道，中支點(diǎn)附近設(shè)置三道焊接箱型鋼橫梁外，其余均為標(biāo)準(zhǔn)橫梁，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m，吊點(diǎn)處設(shè)置大橫梁，大橫梁間設(shè)兩道小橫梁。外側(cè)人行道處的鋼挑梁懸臂長(zhǎng)2.2m，縱向標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m，與橫梁對(duì)齊。標(biāo)準(zhǔn)橫梁采用“工”字型截面，大橫梁梁高1.5m ～2m，腹板厚20mm，下翼板寬0.6m，厚26mm；小橫梁梁高1.5m ～1.712m，腹板厚16mm，下翼板寬0.4m，厚20mm。橫梁與系梁之間采用高強(qiáng)螺栓＋焊接組合連接。

橋面為正交異性鋼橋面板，板厚16mm，車行道下設(shè)間距60cm 的U 型閉口加勁肋，板厚8mm；人行道下設(shè)板肋，間距40cm，高15cm，厚16mm。橋面鋪裝下層為8cm厚C50 微膨脹混凝土（鋼橋面設(shè)剪力鍵，混凝土內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)），上層為5cmSBS瀝青混凝土（AC-13，I-C）。

3.5 抗震體系

高烈度地區(qū)大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)宜首要考慮減隔震設(shè)計(jì)，在橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)之間設(shè)置減隔震系統(tǒng)，以增大原結(jié)構(gòu)體系阻尼和（或）周期，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和（或）減小輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到預(yù)期的防震要求［4］。希望通過(guò)增加結(jié)構(gòu)尺寸以提高抗震能力在某些結(jié)構(gòu)形式上會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡投資，為了取得較好經(jīng)濟(jì)效果，應(yīng)通過(guò)不同體系的抗震分析，決策設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震體系。

結(jié)合該類型橋梁無(wú)水平推力的特點(diǎn)，本橋采用摩擦擺式減隔震支座＋彈塑性鋼阻尼元件耗能的減隔震體系，見(jiàn)圖6。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化后的支座和鋼阻尼元件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。正常使用狀態(tài)下支座結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；E1 地震作用下，限位裝置和支座本體處于彈性工作階段，限位裝置最大剪力為邊支座1506kN，中支座為4431kN，均小于其破斷力，在極限情況下產(chǎn)生微小的變形，但不會(huì)影響支座的正常使用；E2 地震作用下，支座本體處于彈性工作階段，限位裝置被剪斷，阻尼元件進(jìn)入工作階段并發(fā)生較大塑性變形，支座縱橫向最大位移為228mm，其設(shè)計(jì)位移按±250mm 控制。鋼阻尼元件剪力為634kN ～671kN，其設(shè)計(jì)屈服力為550kN，保證進(jìn)入塑性變形階段，通過(guò)往復(fù)位移摩擦和阻尼來(lái)耗散地震能量。

圖6 減隔震體系Fig.6 Seismic isolation system

表1 支座和鋼阻尼元件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of supports and steel damping elements

3.6 下部結(jié)構(gòu)

中墩與邊墩均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩身、蓋梁、承臺(tái)采用C35 混凝土，樁基采用C30 混凝土。中墩為花瓣式外形的實(shí)體墩，橫橋向布置兩個(gè)墩柱，每個(gè)墩柱底部尺寸為9m ×4.5m，按圓弧變化到頂部平段尺寸為5.5m ×4.5m，橋墩頂拱腳外設(shè)擋塊。中墩基礎(chǔ)采用整體承臺(tái)群樁基礎(chǔ)，每個(gè)墩柱承臺(tái)高3m，長(zhǎng)13.6m，寬8.5m。每個(gè)墩柱承臺(tái)下設(shè)6 根樁徑2.0m的鉆孔灌注樁，樁距5.0m，按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。主橋中墩見(jiàn)圖7。

圖7 主橋中墩（單位： m）Fig.7 Middle pier of main bridge（unit：m）

邊墩采用蓋梁柱式墩，橫橋向布置三個(gè)墩柱，墩柱采用矩形斷面尺寸為2m ×2.8m，墩頂設(shè)置中部高度為2m 的蓋梁。邊墩每個(gè)墩柱承臺(tái)尺寸為8.6m×3.6m×2.5m（長(zhǎng)×寬×高），承臺(tái)下設(shè)2 根樁徑為2.0m 的鉆孔灌注樁，樁間距5.0m，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 整體靜力計(jì)算分析

主橋計(jì)算采用midas Civil 程序建立整體模型，除吊索采用桁架單元外，其余構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。為了更加精確的分析橋面系，系梁（下弦）、橫梁采用梁?jiǎn)卧M形成整體格構(gòu)體系，按0.6m ～1.8m 的間距設(shè)21 道虛擬縱梁模擬橋面板，僅考慮縱橋向剛度作用。支座采用一般支承，橫向一側(cè)全部約束支承Y方向，14 號(hào)中墩處兩個(gè)支承約束X方向?？紤]施工方案的影響，嚴(yán)格按照施工順序建立每個(gè)施工階段的模型，并進(jìn)行施工階段驗(yàn)算。全橋共劃分為5781個(gè)單元，3086 個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖8 所示。

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

1.施工方案與主要荷載

施工采用河道中搭設(shè)臨時(shí)支架拼裝主橋的方案?？菟竟?jié)，由兩端向中間，將工廠加工好的節(jié)段起吊至支架上拼接；先拼接橋面系以及中墩橋面以下拱腳部位，后在橋面上拼裝主桁架，中跨部分橋面上搭設(shè)臨時(shí)支架，將中跨桁架拱分為五段，由下到上依次吊裝到位焊接拼裝；主桁架與聯(lián)接系拼裝完成后，拆除橋面以上支架，安裝吊索并進(jìn)行初次張拉；橋面鋪裝、護(hù)欄等附屬設(shè)施完成后，對(duì)吊索進(jìn)行二次張拉，調(diào)整橋面標(biāo)高和吊索內(nèi)力；最后拆除橋面以下支架，施工階段完成。

主要可變作用包括：城-A 級(jí)汽車荷載，安全考慮，按雙向六車道加載；人群荷載最大加載集度為3.5kPa；溫度作用：合龍溫度設(shè)為15℃，最高有效溫度39℃，最低有效溫度－15℃；風(fēng)荷載：基本風(fēng)速26.3m／s，靜陣風(fēng)系數(shù)1.27，靜陣風(fēng)風(fēng)速為36.7m／s ～43.2m／s，為了方便荷載輸入，桁架部分靜陣風(fēng)風(fēng)速按平均值40.0m／s，橋面系部分按36.7m／s計(jì)算風(fēng)荷載；不均勻沉降按中墩3cm，邊墩1.2cm控制設(shè)計(jì)。

2.主要驗(yàn)算結(jié)果

成橋階段最不利工況為汽車＋人群偏向加載，基本組合參與的其他可變作用包括溫度作用、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)變位作用。

經(jīng)計(jì)算，承載能力極限狀態(tài)，最不利荷載工況基本組合主拱下弦桿與系梁相交處應(yīng)力最大，為－232MPa；上弦應(yīng)力最大為－165MPa，位于拱頂；腹桿最大壓應(yīng)力－ 197MPa，最大拉應(yīng)力186MPa；系梁最大拉應(yīng)力134MPa，均小于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的270MPa，滿足要求。

恒載作用下，中跨主拱最大豎向位移為：105mm；系梁最大豎向位移115mm；邊跨最大豎向位移為16mm。

汽車荷載作用下，中跨主拱活載最大豎向撓度25mm，撓跨比為1／6320 ＜1／500；系梁最大豎向位移38mm，撓跨比為1／4157 ＜1／500；鋼桁架拱剛度滿足要求［5］。

成橋運(yùn)營(yíng)階段吊索最大拉力1369kN，破斷力4940kN，在活載最不利狀態(tài)下吊索安全系數(shù)為K＝3.61 ＞［K］＝2.5，吊索設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求［6］。

4.2 穩(wěn)定分析

拱橋的失穩(wěn)從性質(zhì)上可分為分支點(diǎn)失穩(wěn)（第一類穩(wěn)定問(wèn)題）和極值點(diǎn)失穩(wěn)（第二類穩(wěn)定問(wèn)題）［2］，但由于初始變形、殘余應(yīng)力及荷載作用位置的偏差均較復(fù)雜，目前我國(guó)橋梁規(guī)范尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本橋利用程序中的線性屈曲分析功能計(jì)算第一類穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)取用較大的安全系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

穩(wěn)定分析考慮兩種工況下的安全系數(shù)：僅恒載作用下，本橋的穩(wěn)定安全系數(shù)18；恒載（不變）＋汽車＋風(fēng)荷載（不變）作用下，汽車荷載的穩(wěn)定安全系數(shù)為36.8；均滿足規(guī)范［6］規(guī)定的不小于4 的要求。僅恒載作用下一階失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)圖9，最先失穩(wěn)部位發(fā)生在主拱桁架，且安全系數(shù)較高，表明通過(guò)適當(dāng)增大上下弦橫向尺寸、三節(jié)間一組的橫向聯(lián)接系、聯(lián)接系桿件采用箱型截面的措施可以完全保證橋梁橫向穩(wěn)定的安全性。

圖9 恒載作用下一階失穩(wěn)模態(tài)Fig.9 First-order instability mode under dead load

4.3 動(dòng)力特性分析

大跨徑橋梁的動(dòng)力特性反映了橋梁的總體剛度，本橋前10 階自振頻率見(jiàn)表2，從表中可以看出，橫彎先于豎彎出現(xiàn)，橋梁橫向剛度小于豎向剛度，符合鋼桁架拱橋的特點(diǎn)，適當(dāng)增加桁架拱上下弦截面尺寸有利于提高桁架拱一階自振頻率；橋梁整體剛度良好，前三階振型圖見(jiàn)圖10。

圖10 前三階振型圖Fig.10 First third-order mode of vibration

表2 成橋動(dòng)力特性Tab.2 Dynamic characteristics of bridge

結(jié)合德國(guó)和法國(guó)規(guī)范的敏感頻率范圍評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，橫向振動(dòng)的敏感頻率范圍為0.5Hz ～1.2Hz［6］，本橋前幾階頻率均位于敏感頻率范圍內(nèi)，需對(duì)橋梁的人行共振問(wèn)題進(jìn)行分析。鑒于人行共振問(wèn)題的復(fù)雜性，其與單人步行荷載數(shù)學(xué)模型、人群荷載模式、人群荷載激勵(lì)下的橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)相應(yīng)評(píng)價(jià)等諸多因素相關(guān)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用簡(jiǎn)諧荷載（P（t）＝30sin（2πt））模擬單個(gè)行人水平荷載，以2 人／m2的人行密度加載（僅在兩側(cè)人行道布載，共1958 人同步加載），經(jīng)時(shí)程分析，中跨跨中橋面最大側(cè)向加速度為0.154m／s2，位于舒適度中等的指標(biāo)（0.1m／s2～0.3m／s2）范圍［6］。本橋長(zhǎng)1km，正常運(yùn)營(yíng)期間顯然人行密度無(wú)法達(dá)到2 人／m2，滿足運(yùn)營(yíng)要求。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)3330 人同步加載時(shí)，側(cè)向加速度達(dá)到0.309m／s2，舒適度較差，所以橋梁運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)限制集會(huì)、游行等大規(guī)模人群同步過(guò)橋。

4.4 地震響應(yīng)分析

設(shè)計(jì)對(duì)三種抗震體系方案進(jìn)行了計(jì)算比較，方案一，支座采用GPZ（Ⅱ）型盆式橡膠支座。方案二，采用摩擦擺式減隔震支座。方案三，采用摩擦擺式減隔震支座，中墩支座增設(shè)彈塑性鋼阻尼元件，支座布置圖見(jiàn)圖11。

圖11 支座布置圖Fig.11 Support layout

盆式橡膠支座采用程序中的彈性連接單元模擬，豎向及其約束方向輸入很大的剛度，無(wú)約束方向剛度僅考慮摩擦力。對(duì)于摩擦擺式減隔震支座及非線性阻尼元件，根據(jù)其滯回曲線特點(diǎn)，采用雙折線彈塑性彈簧單元進(jìn)行模擬，在Midas Civil中本項(xiàng)目采用了滯后系統(tǒng)單元進(jìn)行模擬，通過(guò)調(diào)整摩擦擺式減隔震支座在E1、E2 地震作用時(shí)約束方向的剛度，實(shí)現(xiàn)E1 地震作用下限位裝置（剪力銷）發(fā)生微小變形，E2 地震作用下限位裝置被剪斷的目的。

在進(jìn)行橋梁的地震時(shí)程分析計(jì)算時(shí)，E1、E2地震作用分別選取三組地震波進(jìn)行計(jì)算，受篇幅所限，僅列出E2 地震作用下計(jì)算結(jié)果：方案一橋墩墩底彎矩差別大，順橋向兩個(gè)中墩差距大，同一中墩橫橋向彎矩也差別大；邊墩、設(shè)置單向支座和固定支座的橋墩彎矩均很大，不滿足抗力要求，支座承受的水平剪力均大于其設(shè)計(jì)值。方案二在E2 地震作用下剪切銷被剪斷，釋放出二次位移擺動(dòng)，橋墩墩底彎矩減小，特別是中墩，僅為方案一的22%，各橋墩墩底彎矩比較均衡，小于最小抗力。梁端最大水平位移為342mm，超出伸縮縫和支座最大變形量。方案三鋼阻尼元件屈服，達(dá)到了耗能和減小上部結(jié)構(gòu)位移的作用，其滯回曲線見(jiàn)圖12。橋墩受力基本與方案二相同，墩底彎矩邊墩有所減小，中墩稍微增大，邊墩、中墩均滿足處于基本彈性狀態(tài)的要求，符合甲類橋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。梁端最大水平位移為228mm，

圖12 14 號(hào)墩鋼阻尼元件滯回曲線Fig.12 Hysteresis curve of steel damping element of No. 14 pier

小于設(shè)計(jì)位移為±250mm，梁體與橋墩間位移差（支座剪切位移）最大為145mm，不會(huì)發(fā)生落梁事故。經(jīng)綜合比較，最終確定采用方案三抗震體系，部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 E2 地震作用下橋墩墩底計(jì)算結(jié)果（單位： MN·m）Fig.13 Calculation results of piers bottom under the action of E2 earthquake（unit：MN·m）

4.5 橋面系分析

正交異性鋼橋面板的疲勞問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，為了計(jì)算局部細(xì)節(jié)應(yīng)力，利用程序提供的板單元對(duì)30m長(zhǎng)的橋面系進(jìn)行精細(xì)模擬。由于本橋橋面鋪裝采用了鋼筋混凝土＋SBS 瀝青混凝土組合鋪裝，橋面整體剛度提高較大，城-A級(jí)車輛荷載作用下，U 肋中間最大撓度僅為0.018mm，遠(yuǎn)小于1／1000 ＝0.3mm的規(guī)定。采用疲勞荷載計(jì)算模型Ⅲ計(jì)算橋面板的疲勞應(yīng)力，U肋-頂板焊縫、U 肋-隔板焊縫、U 肋對(duì)接焊縫三處驗(yàn)算見(jiàn)表3，三處的疲勞驗(yàn)算均滿足要求。

表3 正交異性橋面板疲勞驗(yàn)算Tab.3 Fatigue checking calculation of orthotropic bridge deck

在進(jìn)行橫梁分析前首先需要確定橫向加載的車輛數(shù)，以本橋?yàn)槔?，如不考慮多車道折減，跨中位置橫向布置六輛城-A 級(jí)車輛荷載，導(dǎo)致上弦拱頂軸向壓力2504kN，大于車道荷載作用下拱頂軸向壓力1619kN，顯然是不合適的。車輛荷載進(jìn)行局部加載時(shí)多車道橫向折減系數(shù)規(guī)范未明確說(shuō)明，目前該方面的研究較少，尚未形成共識(shí)。為此，建立24m跨徑的簡(jiǎn)支梁模型（橫梁按簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化計(jì)算），進(jìn)行橫橋向車輛荷載單軸加載。車輛橫向布載參考BS5400 規(guī)定，對(duì)于橫梁跨中彎矩，橫向六車道加載時(shí)，中間四車道不折減，兩側(cè)的各一車道折減系數(shù)取1／3，經(jīng)計(jì)算，跨中彎矩為3864kN·m，與六車道不折減跨中彎矩4295kN·m對(duì)比減小約10%，故本橋橫梁計(jì)算車輛荷載加載時(shí)六車道折減系數(shù)取0.9。精細(xì)化模型中，車輛荷載六車道布置，承載能力極限狀態(tài)基本組合下，大橫梁跨中最大拉應(yīng)力166MPa，腹板最大剪應(yīng)力59MPa；小橫梁跨中最大拉應(yīng)力149MPa，腹板最大剪應(yīng)力50MPa；車輛作用下最大豎向位移大橫梁、小橫梁分別為10mm、11mm；應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范［5］要求，大橫梁應(yīng)力云圖見(jiàn)圖14。

圖14 大橫梁應(yīng)力云圖（單位： MPa）Fig.14 Stress nephogram of large crossbeam（unit：MPa）

5 結(jié)語(yǔ)

植物園渭河大橋充分發(fā)揮了連續(xù)桁架拱橋剛度大、穩(wěn)定性和抗震性能好的特點(diǎn)，造型優(yōu)美，與橋位環(huán)境相協(xié)調(diào)。主橋總計(jì)用鋼5990t，工程造價(jià)13643.8 萬(wàn)元，該橋成橋荷載試驗(yàn)表明各測(cè)試截面相對(duì)殘余應(yīng)變較小，結(jié)構(gòu)變形規(guī)律正常，結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好，承載能力滿足規(guī)范要求。到目前為止，大橋已通車運(yùn)營(yíng)兩年，各項(xiàng)指標(biāo)良好，所有功能均經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)。