下承式復(fù)式鋼箱系桿拱梁組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

許柯松XU Ke-song

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，鄭州 450000）

1 項(xiàng)目概況

橋梁跨越規(guī)劃三路（德民路東延線）、學(xué)院南路、桂畔海。左幅與規(guī)劃三路相交斜交角為56 度，右幅與規(guī)劃三路相交斜交角為84 度。與學(xué)院南路基本正交。為方便河道兩岸居民通行，橋梁設(shè)置人行梯道連接本橋人行道與規(guī)劃三路、學(xué)院南路人行道。主橋采用（2×30+90+2×30）m 五跨下承式復(fù)式鋼箱系桿拱梁組合橋。主梁截面形式采用單箱五室，底板寬度23.5m，頂寬34.5～44.57m 漸變，通過翼緣調(diào)整變化。

2 規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)

①道路等級：城市主干道。

②設(shè)計(jì)車速：40km/h。

③橋面寬度：主橋?yàn)檎w一幅，橋面橫向?qū)挾葹?4.5～55.0m，道路中部設(shè)1m 分隔帶，與雙側(cè)11.75m 車行道，雙外側(cè)布置5m 人行道，其余為拱肋區(qū)與拉索區(qū)。

④橋面橫坡：車行道雙向2%，人行道單向1.5%。

⑤設(shè)計(jì)荷載：城-A 級，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）取值[1]。

⑥整體升降溫：+25℃，-25℃。

⑦梯度溫度：橋面鋪裝為10cm 改性瀝青混凝土，豎向日照正溫差按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取值[2]。

⑧設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 年。

⑨設(shè)計(jì)安全等級：一級。

⑩設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅱ類。

3 總體布置

橋梁總體布置如圖1、圖2 所示。

圖1 立面圖（單位：m）

圖2 平面圖（單位：m）

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主橋?yàn)槲蹇缦鲁惺綇?fù)式鋼箱系桿拱梁組合體系橋，跨徑布置為：（2×30+90+2×30）m，其中上部梁采用預(yù)應(yīng)力變高梁，9#、10#號墩跨中截面對稱面位置梁高2.5m，在9#、10#墩頂兩側(cè)梁高按2.5m 至4.5m 變高。輔助墩側(cè)梁高按4.5m 至2.0m 變高，邊墩側(cè)等高2.0m，變化函數(shù)按二次函數(shù)變化。

主梁截面形式采用單箱五室，箱梁頂板厚0.28m，腹板厚度0.6～1.1m，底板厚度0.25m。7#和12#橋墩處的橫梁順橋向?qū)挾葹?.8m，8#～11# 橋墩處橫梁寬度3.0m，箱梁截面底面水平設(shè)計(jì)，梁頂橫坡通過不等高腹板設(shè)立。

橋梁順橋向間隔設(shè)置跨中隔板。邊跨側(cè)隔板距離為5m，根據(jù)受力需要，隔板按變高度設(shè)置，主跨側(cè)隔板按分布于吊點(diǎn)位置，間距同為6m，隔板端部高度隨橋?qū)掃M(jìn)行變化。考慮景觀要求，在隔板外端設(shè)置裝飾措施，隔板在計(jì)算時(shí)考慮成集中荷載作用于橋上，對于裝飾材料則按二期荷載均布與橋面上。后期為方便檢修，中墩處橫梁及跨中隔板間均設(shè)置人洞。

結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)均設(shè)置于腹板和隔板交叉位置，根據(jù)受力需求，板厚取80cm。

蝴蝶兩主副拱拱腳設(shè)計(jì)成實(shí)心混凝土，拱身采用鋼結(jié)構(gòu)，底座與縱梁澆筑成整體。拱腳底部設(shè)置受力支座，根據(jù)受力大小，選取球形鋼支座。

主橋采取3 階段支架現(xiàn)澆施工方式，9#墩左側(cè)11m至10#右側(cè)11m、共長112m 范圍內(nèi)為0 號施工段。剩余邊跨為1 號施工段，拱結(jié)構(gòu)部分為2 號施工段。施工時(shí)，先采用萬能杠桿臨時(shí)支架施工主拱，然后施工副拱。

主拱截面形式為倒梯形，上下總寬、高為2m、1.4m、1.8m，中心軸曲線按二次函數(shù)變化，主拱結(jié)構(gòu)投影面矢跨比32.3358：90，面內(nèi)矢跨比35：90，結(jié)構(gòu)外傾22.5°。

副拱截面形式為倒梯形，上下總寬、高為1.4m、1m、1.4m，中心軸曲線按二次函數(shù)變化，副拱結(jié)構(gòu)投影面矢跨比11.0865：150，面內(nèi)矢跨比12：150，結(jié)構(gòu)內(nèi)傾22.5°。

主副拱與主梁均采用固結(jié)連接，連接處采用鋼混結(jié)合形式，主副拱結(jié)構(gòu)與0 號段結(jié)合長度越2m。連接形式采用抗剪連接件形式，設(shè)計(jì)上為提高局部連接強(qiáng)度，拱腳底部設(shè)置縱橫交叉鋼束，以防后期拱身變形引起的開裂。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主橋主墩采用整體柱式墩，橋墩墩型為圓端型，橋墩縱厚3m，橫橋向?qū)挵?4.8m 至28.786m 圓形變化。橋墩上部開橢圓形孔，橢圓的長軸長為10m，短軸長為5m。主墩承臺高度為4.5m，承臺底部尺寸為32×13.6×2.5m，頂部承臺為椎體型，椎體頂部截面尺寸25.8×4.0m，椎體底部截面尺寸為31.8×10m，椎體高度為2.0m。

橋墩采用C40 混凝土，承臺和樁基采用C35 混凝土。承臺下設(shè)置2m 厚的C20 封底混凝土，采用C15 素砼，且要求封底砼每邊長度比承臺寬出50cm。

所有的樁基礎(chǔ)均采用嵌巖樁基礎(chǔ)，采用機(jī)械成樁。樁基礎(chǔ)嵌入完整的中風(fēng)化巖層深度不小于3 倍樁徑。（圖3）

圖3 9、10 號墩處橫斷面圖（單位：m）

4 主要材料

①混凝土：主梁、橋墩和承臺分別采用C50、C40 和C30 混凝土，樁基采用C30 水下混凝土[3]。

②普通鋼絞線：采用PC 高強(qiáng)度低松弛（Ⅱ級松弛）七股型鋼絞線。

③普通鋼筋：采用HPB300、HRB400 鋼筋。

④鋼材：采用Q345qC 鋼材，性能符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》之規(guī)定[4]。

⑤系桿索：主拱、副拱系桿索采用鍍鋅鋼絞線[5]。

5 模型視圖

采用Civil 建立桿單元分析模型。結(jié)構(gòu)中系桿索采用桁架單元，其余均采用梁單元。主墩及次邊墩采用承臺底部模擬地基剛度的形式加以約束，邊墩采用活動(dòng)支座支承形式模擬。成橋狀態(tài)模型簡圖如圖4。

圖4 成橋狀態(tài)模型簡圖

6 屈曲穩(wěn)定分析

穩(wěn)定性在一定程度上決定了結(jié)構(gòu)是否能夠正常運(yùn)營，對于大跨度拱橋結(jié)構(gòu)影響更甚。本橋采用的是五跨下承式復(fù)式鋼箱系桿拱梁組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為支承體系結(jié)構(gòu)。為了橋梁結(jié)構(gòu)的美觀性，本橋采用的蝴蝶拱的造型，未設(shè)置橫撐結(jié)構(gòu)，主拱及副拱的穩(wěn)定性更是設(shè)計(jì)中的重中之重。采用Civil2020 建立整體計(jì)算模型，將恒載、部分車載和人群荷載以及風(fēng)荷載[6]計(jì)入屈曲分析荷載項(xiàng)。屈曲模態(tài)分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

由圖5～圖6 可知，成橋階段副拱最小屈曲穩(wěn)定系數(shù)5.887，主拱最小屈曲穩(wěn)定系數(shù)為10.29，均滿足不小于4的規(guī)范要求，且明顯副拱先于主拱失穩(wěn)，設(shè)計(jì)上應(yīng)提高副拱剛度，盡量協(xié)調(diào)主、副拱剛度匹配，避免結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件破壞形成不必要的損失。在考慮結(jié)構(gòu)美觀性的同時(shí)，安全應(yīng)是首要考慮的因素。

圖5 一階屈曲模態(tài)分析結(jié)果（副拱失穩(wěn)）

圖6 四階屈曲模態(tài)分析結(jié)果（主拱失穩(wěn)）

由于拱肋采用鋼箱型截面，相比于混凝土構(gòu)件，壓屈局部穩(wěn)定性較差，尤其是拱肋的面外穩(wěn)定，受橫向力影響較大。以下通過在副拱上設(shè)置橫撐，研究橫撐對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

由圖7～圖8 可知，設(shè)置橫撐后，成橋階段副拱最小屈曲穩(wěn)定系數(shù)提高至15.48，主拱最小屈曲穩(wěn)定系數(shù)為9.985，基本保持不變。從結(jié)果來看，設(shè)置橫撐對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響較大，設(shè)計(jì)上可根據(jù)需要設(shè)置必要的橫撐。此外，橫撐設(shè)置位置有一定的選擇性，應(yīng)根據(jù)需要在最先可能發(fā)生失穩(wěn)的位置設(shè)置，盡量做到在考慮美觀性的同時(shí)，又能達(dá)到更經(jīng)濟(jì)的實(shí)際意義。

圖7 一階屈曲模態(tài)分析結(jié)果（主拱失穩(wěn)）

圖8 五階屈曲模態(tài)分析結(jié)果（副拱失穩(wěn)）

7 結(jié)論及展望

近年來，鋼箱系桿拱在景觀橋梁設(shè)計(jì)方面應(yīng)用越來越多，發(fā)展前景廣大，未來可期。拱肋作為主要的受力部分，在追求美觀性的同時(shí)，確保整體結(jié)構(gòu)受力安全是首要因素。由于鋼箱系桿拱造型奇特，施工時(shí)受外部條件制約較多，對施工過程的穩(wěn)定要求宜不可忽視。本文中鋼箱系桿拱構(gòu)造形式具有很好的景觀效果，對于連接兩岸居民通行以及城市發(fā)展有很好的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要利用有限元軟件分析了蝴蝶拱橋拱肋的穩(wěn)定性，由分析結(jié)果證明了本橋結(jié)構(gòu)體系滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求；同時(shí)，表明了拱結(jié)構(gòu)體系設(shè)置必要的橫撐對于結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定的提高有較大程度的影響。最后，望本文案例設(shè)計(jì)結(jié)果對類似橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。