宿遷市北京路京杭運(yùn)河網(wǎng)狀吊桿拱橋設(shè)計(jì)

顧 超

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

網(wǎng)狀吊桿拱橋的拱肋、主梁（系桿）的彎矩很小，能充分發(fā)揮“拱肋受壓、系桿受拉”的力學(xué)意圖，同時(shí)網(wǎng)狀吊桿拱橋具有較大的豎向剛度和自振頻率，行車條件較為舒適。然而，網(wǎng)狀吊桿拱橋的疲勞應(yīng)力幅相對(duì)較大，在吊桿的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上也相對(duì)復(fù)雜[1-2]。網(wǎng)狀吊桿拱橋在歐美的應(yīng)用比較廣泛，在我國的應(yīng)用則相對(duì)較少。僅在京滬高鐵蘊(yùn)藻浜特大橋、武廣客運(yùn)專線胡家灣特大橋[3]、濟(jì)南齊魯黃河大橋[4]、深圳大橋[5]等為數(shù)不多的大橋中被采用。網(wǎng)狀吊桿拱橋受力性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)性較好，是一種非常值得推廣的橋型。

1 工程概況

宿遷市北京路快速化改造工程西起迎賓大道，東至宿連高速-新?lián)P高速立交西側(cè)收費(fèi)站，路線總長度為11.51 km。主線采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，雙向6車道；輔路采用城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為50 km/h。北京路京杭運(yùn)河橋是該工程的重要節(jié)點(diǎn)，景觀要求高。經(jīng)過方案比選，主橋采用主跨172.5 m的網(wǎng)狀拱橋跨越通航水域。主橋立面布置圖如圖1所示，主橋效果圖如圖2所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

圖2 主橋效果圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）荷載等級(jí)：城-A級(jí)；人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019年版）（CJJ 11—2011）執(zhí)行。

（2）橋梁設(shè)計(jì)使用年限：100 a。

（3）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

（4）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度0.3g，抗震設(shè)防基本烈度8度?？拐鹪O(shè)防類別為甲類，抗震設(shè)防措施等級(jí)按9度要求。

（5）耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅰ類。

（6）通航標(biāo)準(zhǔn)凈空高度：京杭運(yùn)河為二級(jí)航道，主橋通航凈空162.5×7 m。設(shè)計(jì)最高通航水位19.83 m（85高程），設(shè)計(jì)最低通航水位17.83 m（85高程）。

（7）設(shè)計(jì)風(fēng)速：設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=26.7 m/s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

主橋采用連續(xù)體系，主墩采用1個(gè)30 000 kN固定摩擦擺支座，2個(gè)30 000 kN單向滑動(dòng)摩擦擺支座，1個(gè)30 000 kN雙向滑動(dòng)摩擦擺支座。兩處邊墩各采用1個(gè)6 000 kN單向滑動(dòng)摩擦擺支座和1個(gè)6 000 kN雙向滑動(dòng)摩擦擺支座。采用連續(xù)體系可以有效地減少梁端轉(zhuǎn)角，令行車更為舒適。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)河橋主橋主墩采用分離式雙柱橋墩，墩柱間距為31.84 m，沿墩高方向墩柱等截面，截面輪廓尺寸為4.1 m（橫橋向）×3.0 m（順橋向），橫橋向直線段長度為3.0 m，兩側(cè)迎水面采用半徑為2.32 m的圓弧?；A(chǔ)采用9根直徑1.5 m鉆孔灌注樁組成的群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為10 m×10 m×3 m，承臺(tái)下設(shè)置2 m厚的封底混凝土。運(yùn)河橋主橋兩側(cè)過渡墩形式不同，Pyhy21邊墩采用分離式雙柱橋墩，Pyhy24邊墩采用2個(gè)分離式的蓋梁獨(dú)柱橋墩。主墩立柱及承臺(tái)平面布置圖如圖3所示。

圖3 主墩立柱及承臺(tái)平面布置圖（單位：cm）

3.3 主梁設(shè)計(jì)

主梁為正交異性雙邊鋼箱梁，全寬37.45 m。鋼梁由鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段和拱梁結(jié)合段兩部分組成。

（1）鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段

主梁鋼結(jié)構(gòu)采用雙邊鋼箱梁，鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段全寬37.45 m，梁高2.5 m。其中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長7 m，每隔3.5 m設(shè)置一道橫梁、箱梁橫隔板及人行挑梁。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段分為A、B、C、D四種類型。

雙邊鋼箱梁采用平行四邊形斷面，標(biāo)準(zhǔn)段頂板、底板、腹板均厚30 mm，加勁肋采用220×22 mm板肋。車行道區(qū)域頂板板厚16 mm，加勁肋采用10 m厚，開口300 mm，高度280 mm的U肋。人行道頂板厚12 mm，加勁肋采用100×10 mm板肋。

橫梁采用工字形斷面，標(biāo)準(zhǔn)橫梁腹板厚20 mm，橫梁底板寬600 mm，橫梁底板厚度由跨中的45 mm漸變至36 mm。橫梁腹板加勁肋采用140×14 mm板肋。鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖4所示。

圖4 鋼主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

（2）拱梁結(jié)合段

全橋?qū)ΨQ設(shè)置兩個(gè)拱梁結(jié)合段，拱梁結(jié)合段長15.75 m。

拱梁結(jié)合段縱向主梁頂板、底板厚度由端部的30 mm加厚至40 mm。主拱斷面的頂板、底板均厚50 mm。主拱與主梁的腹板為同一塊板件，厚50 mm。主拱的頂、底、腹板加勁肋采用360×36 mm板肋，縱向主梁的頂、底板加勁肋采用300×30 mm板肋。

3.4 主拱設(shè)計(jì)

主橋主拱水平投影的矢高28.75 m，矢跨比1/6，主拱拱軸采用2次拋物線，采用提籃形拱，拱肋傾角10°。主拱由A類拱肋及橫撐組成。全橋共16個(gè)A類拱肋節(jié)段。

A類拱肋主受力部分采用矩形斷面，主拱高度2.2 m，主拱寬度2.8 m。外包裝飾板形成六邊形斷面，拱肋分為A1、A2、A3、A4共4個(gè)主拱區(qū)段，其中A1、A2、A3區(qū)段拱肋頂、底、腹板的厚度均為40 mm，加勁肋采用300×30 mm板肋；A4區(qū)段拱肋頂、底、腹板的厚度由40 mm加厚至50 mm，加勁肋采用300×30 mm板肋變化至360×36 mm板肋。拱肋橫隔板分為普通隔板、橫撐隔板和吊點(diǎn)隔板三類。普通隔板沿拱軸線法向布置，厚度20 mm；橫撐隔板與橫撐腹板位置對(duì)齊，厚度30 mm；吊點(diǎn)隔板沿斜吊桿中心線布置，厚度30 mm。

橫撐采用鋼箱結(jié)構(gòu)，寬1.6 m，高1.5 m，頂、底、腹板的厚度均為30 mm，加勁肋采用220×20 mm板肋。全橋共6道橫撐。

主拱及橫撐斷面如圖5所示。

圖5 主拱及橫撐斷面（單位：cm）

3.5 吊桿設(shè)計(jì)

吊桿采用網(wǎng)狀布置，斜吊桿與水平線夾角約60°。根據(jù)傾斜方向不同分為W1～W11、N1～N11兩組共22對(duì)吊桿，吊桿橫橋向?qū)ΨQ布置，全橋共44根。吊桿索體采用環(huán)氧涂層鋼絞線，型號(hào)為?15.2-25，抗拉強(qiáng)度fptk=1 860 MPa。吊桿疲勞性能滿足：應(yīng)力上限為0.4 fptk，應(yīng)力幅為400 MPa，經(jīng)200萬次循環(huán)荷載。梁上張拉端及拱端均采用銷接式叉耳。

4 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)建模

采用大型有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行建模計(jì)算，主梁、主拱采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型共有261個(gè)節(jié)點(diǎn)，256個(gè)單元。結(jié)構(gòu)邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況分別進(jìn)行模擬，并考慮了截面的有效分布寬度。計(jì)算模型圖如圖6所示。

圖6 計(jì)算模型圖

4.2 靜力計(jì)算結(jié)果

如圖7至圖10所示，從內(nèi)力圖上可以看到主梁和主拱在恒載作用下彎矩很小，主拱的壓力和主梁的拉力整體分布也比較均勻?；窘M合下主拱、主梁的彎矩、軸力分布也比較均勻。

圖7 恒載作用 主梁主拱彎矩圖（單位：kN·m）

圖8 恒載作用 主梁主拱軸力圖（單位：kN）

圖9 基本組合 主梁主拱彎矩圖（單位：kN·m）

圖10 基本組合 主梁主拱軸力圖（單位：kN）

承載能力基本組合作用下，第一體系主梁上緣最大拉應(yīng)力118.7 MPa，主梁上緣最大壓應(yīng)力102.3 MPa；第一體系主梁下緣最大拉應(yīng)力135.2 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力167.4 MPa。主拱上緣最大壓應(yīng)力157.3 MPa，主拱下緣最大壓應(yīng)力187.6 MPa。主梁和主拱均采用Q345qD鋼材，應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

汽車活載作用下，主梁中跨最大豎向位移為45 mm，相應(yīng)撓跨比為1/3833；主梁邊跨最大豎向位移為13 mm，相應(yīng)撓跨比為1/3076。結(jié)構(gòu)的剛度很大，活載的變形量很小。

4.3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

主橋成橋狀態(tài)一階失穩(wěn)模態(tài)為主拱橫橋向側(cè)彎，如圖11所示。一期+二期恒載+拱腳最不利活載狀態(tài)下一階彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.65＞4.0，滿足規(guī)范要求。

圖11 一階失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié)語

宿遷市北京路京杭運(yùn)河橋是一座網(wǎng)狀吊桿拱橋，采用矩形斷面鋼主拱和雙邊箱鋼主梁。雙邊箱鋼主梁可以充分發(fā)揮鋼主梁抗拉的性能，而不必配置水平向預(yù)應(yīng)力系桿。

網(wǎng)狀吊桿體系使拱、梁、吊桿的受力更為合理、結(jié)構(gòu)纖細(xì)美觀、造價(jià)更為經(jīng)濟(jì)。網(wǎng)狀吊桿拱橋是一種值得在市政、公路領(lǐng)域進(jìn)一步推廣的橋型。