某斜腿剛構(gòu)橋的設計與結(jié)構(gòu)受力分析

鄧平躍 陶納川

1 項目概況

上海浦東錦康路張家浜橋位于浦東陸家嘴地區(qū)，北依上海科技館和浦東新區(qū)區(qū)政府，南至逸飛創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)街，東接世紀公園，西鄰楊高南路。根據(jù)規(guī)劃，張家浜創(chuàng)意街區(qū)段“應突出橋梁現(xiàn)代氣息，且橋梁應加強張家浜濱水游憩景觀意象力與可識性”。經(jīng)過多次的方案比選，演化、深化，最終選定張家浜橋為帶景觀拱的V形斜腿剛構(gòu)橋，如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)總體布置

張家浜河道河底寬度20m，兩岸各6m防汛通道，河道常水位2.5 m，通航凈寬18 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用14.01 m+27.18 m+14.01 m的帶鋼箱梁掛孔的無橋臺鋼筋混凝土V形剛架橋結(jié)構(gòu)形式，橫斷面一幅式布置，橋梁全寬24.5 m。兩邊跨采用現(xiàn)澆混凝土V形剛架斜腿剛構(gòu)，主跨采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁掛孔。在掛孔上設置剛架拱作為裝飾，形成的整體效果見圖1。V形墩由主梁、中斜腿、邊斜腿三部分組成。主梁采用橫向4片肋板式，各片箱梁底寬3.7 m，橫向凈距2.4 m，邊斜腿考慮結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造需要，全斷面等寬布置，中斜腿與四片梁肋對應，分成四片，且上寬下窄。V形剛構(gòu)兩斜腿下設置承臺，橋梁下部采用鉆孔灌注樁基礎。

3 結(jié)構(gòu)受力特點

本橋造型新穎，結(jié)構(gòu)受力獨具特點。傳統(tǒng)的斜腿剛構(gòu)有文獻[1]中第433頁的V形橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋和將直腿改為斜腿的可稱斜腿剛架橋。文獻[2]中第390頁提到的無橋臺斜腿剛架橋，其主跨和邊跨是連續(xù)的，亦不同于其第393頁提到的設置鉸的情況，使用鉸實際上在構(gòu)造上很難做到，因為要傳遞水平力。而本處采用掛孔，不傳遞水平力和彎矩，只傳遞豎向力。因此為了實現(xiàn)獨特的建筑造型和結(jié)構(gòu)處理，必須針對具體結(jié)構(gòu)分析其受力特點。其總體結(jié)構(gòu)受力特征為:邊跨采用V形斜腿剛構(gòu)，形成混凝土的三角剛架，三角剛架伸出牛腿，以支承主跨鋼箱梁。因此主跨鋼箱梁應該視為簡支。該斜腿剛構(gòu)的V形三角剛架由上部橋面板梁，邊斜腿和中斜腿相互剛接組成，邊斜腿兼作擋土墻用。

該斜腿剛構(gòu)由于三角剛架采用牛腿搭接中孔鋼箱梁，因此在結(jié)構(gòu)計算時，掛孔應作為附屬結(jié)構(gòu)，可作為簡支梁計算其受力，然后將其解除，計算主體結(jié)構(gòu)時，可將附屬結(jié)構(gòu)的反力施加于主體結(jié)構(gòu)。主要荷載分為兩部分，一部分是剛架自身處荷載作用，一部分是掛孔傳來的豎直集中力。自身部分荷載作用下該結(jié)構(gòu)為剛架結(jié)構(gòu)，受到掛孔力部分也應看作剛架受力，若看作桁架，則為機動體系。基于此，結(jié)構(gòu)受力較為不利，彎矩很大。由于主跨掛孔對于剛架只有豎向力作用，水平方向主跨和邊跨無約束，因此不傳遞水平力，故而三角剛架不受水平力作用，對于上海軟土地基減小了不少壓力。但掛孔傳給剛架的豎向力會對剛架產(chǎn)生較大的彎矩，對下部結(jié)構(gòu)亦產(chǎn)生彎矩，因此承臺較大，樁基數(shù)量較多。本橋無橋臺，邊斜腿可以兼作擋土墻用，其土壓力應該按主動土壓力計算。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)上述對結(jié)構(gòu)的認識和理解，利用Midas軟件建立空間有限元模型進行計算(見圖2)。首先計算掛孔受力，將鋼箱梁橫向分成四片，利用梁格法進行計算。而后根據(jù)計算結(jié)果得出單片鋼箱梁結(jié)構(gòu)反力，在三角剛架計算時，將其施加到相應牛腿部位。三角鋼架在承臺底視為固結(jié)。

由于三角剛架主要承受剛架自身處荷載作用和掛孔傳來的豎直集中力，又根據(jù)規(guī)范要求，將永久荷載和可變荷載組合，得到短期效應組合作用下三角剛架各部分的上下緣最大、最小應力，如圖3～圖 6所示。

從結(jié)果可以看出，橋面板梁為拉彎構(gòu)件，邊斜腿和中斜腿均為壓彎構(gòu)件。組合荷載作用下，邊斜腿由于自重彎矩和掛孔荷載的彎矩的疊加抵消效應，彎矩較小，其壓應力在3 MPa內(nèi)，拉應力在2 MPa以內(nèi)。組合荷載中斜腿的彎矩則較大，尤其在腳趾處，存在較大的負彎矩，為4 448 kN。其應力圖也可看出，腳趾處應力也較大。因此，該處設計應該引起重視，加強構(gòu)造措施和配筋。橋面板由于為拉彎構(gòu)件，可以設置預應力。

5 結(jié)語

本文介紹了位于逸飛創(chuàng)意街和上海科技館之間的錦康路張家浜橋的設計，對其建筑造型進行了描述，然后重點分析了其獨特的結(jié)構(gòu)受力特點，從而為施工圖繪制和工程建設闡明了概念。該橋在方案形成過程中，以結(jié)構(gòu)受力來服從建筑造型的需要，但同時也在造型既定的情況下不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。采用掛孔，避免了中跨對三角剛架基礎形成水平推力的問題，適應于上海的軟土地基。采用鋼箱梁，大大減輕了掛孔自重，從而對三角剛架形成盡可能小的外部彎矩作用。橋下三角剛架底部設有景觀平臺，形成獨特的休閑水景。本橋溝通了科技館和創(chuàng)意街，同時在設計上融科技和藝術于一體，是人類智慧的體現(xiàn)。

[1] 范立礎.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 上海市政工程設計研究院.橋梁設計工程師手冊[M].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 陳燕飛.連續(xù)剛構(gòu)景觀小橋設計[J].山西建筑，2009，35(10):341-343.