盧浦大橋系梁設(shè)計

曾 源

（上海市政工程設(shè)計研究總院，上海市 200092）

1 工程概況

盧浦大橋工程北起浦西魯班路，穿越黃浦江，南至浦東濟陽路，全長8.7 km。2000年10月開工建設(shè)，2003年6月28日建成通車。工程總投資20多億元。

盧浦大橋主橋跨徑550 m，居世界同類橋梁之首，被譽為“世界第一鋼拱橋”。

（1）跨徑布置：100 m+550 m+100 m=750 m的拱梁組合體系中承式系桿拱橋。

（2）橋梁寬度：0.25 m（人行道欄桿）+2 m(人行道)+0.5 m(防撞欄桿)+12 m（車行道）+0.5 m（防撞欄桿）+12m（車行道）+0.5m（防撞欄桿）+2m(人行道)+0.25m（人行道欄桿）=30m(主橋全寬)。

（3）荷載標準：設(shè)計荷載為汽車-20級，驗算荷載為掛車-100,人群荷載為4 kN/m2,全橋均布人群荷載為2.4 kN/m2。

（4）通航標準：設(shè)計通航水位為4.0 m（吳淞高程），通航凈高46 m（含2 m富裕高度）,凈寬340m。

（5）抗震要求：地震基本烈度7度。

2 結(jié)構(gòu)形式及布置

主橋矢跨比f/l=1/5.5,邊跨采用上承式拱梁結(jié)構(gòu)。兩邊跨橫梁之間設(shè)置強大的水平拉索，以平衡主跨拱肋的水平推力。

中跨系梁通過支座擱置在拱梁結(jié)合段強大的中橫梁上，跨徑為400m。水平拉索在中跨系梁上開孔穿過，但水平拉索強大的水平力并不傳到中跨系梁上。在中跨系梁上按13.5m的間距布置吊桿。上端錨在鋼拱內(nèi)，為張拉端;下端錨在中跨系梁內(nèi)，為固定端。吊桿和系梁間采用鉸接形式，以適應(yīng)溫度位移的變化。

2.1 中跨系梁

中跨系梁為正交異性板全焊接鋼箱梁結(jié)構(gòu)，開口鋼箱梁，雙主梁（箱梁）加橫梁結(jié)構(gòu)體系。頂板寬39.5m，底板寬39.2m，中心線處梁高3m。中心線底板處有一工字形小縱梁，由3根寬400mm、厚16mm的鋼板焊接而成，并和橫梁底板焊接，用來增加梁的總體剛度。車行道部分頂板厚14mm，下設(shè)8mm厚的U形加勁。非車行道部分頂板和底板及二道腹板形成一個封閉箱，板厚均為10mm，并設(shè)r14a球扁鋼加勁。橫隔板間距為3.375m。標準橫梁箱外腹板厚10mm，箱內(nèi)腹板厚8 mm，箱內(nèi)腹板兩端各開4φ600孔放置水平拉索。橫梁底板按受力情況，跨中為18 mm,兩邊為14 mm。吊點橫梁因受力較大，根據(jù)吊桿受力不同，橫梁箱內(nèi)腹板增大到25～40 mm不等。橫梁底板跨中為25(30)mm，兩邊為20(25)mm。詳見圖1。

中跨共分13個節(jié)段，Z0段長28m，重387 t，ZW1(ZE1)～ZW 5(ZE5)節(jié)段長 27 m，每個節(jié)段重369 t，ZW6(ZE6)節(jié)段長 27 m，每個節(jié)段重 378 t，ZW7(ZE7)節(jié)段為縱向和中橫梁連接，橫向和拱連接的特殊節(jié)段，形狀不規(guī)則，并設(shè)有伸縮縫、阻尼器以及橫向限位塊等特殊裝置，受力較復(fù)雜。節(jié)段長約29 m，重466 t。中跨系梁在中跨拱合龍后采用船運并用拱上吊機垂直提升法安裝就位。

2.2 邊跨系梁

邊跨系梁跨徑為170 m，兩端和拱固結(jié)，同時和大小立柱固結(jié)，立柱間距約為27.375 m。在邊跨箱梁內(nèi)部設(shè)有4×2根強大的水平拉索。在橋面系上也設(shè)有4×2根水平拉索。水平拉索錨固在尾端拱梁結(jié)合處，邊跨系梁上承受強大的水平力作用。

邊跨系梁也采用正交異性板全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，閉口鋼箱梁。頂板寬41m,厚均為13mm。在車行道部分設(shè)6 mm厚的U形加勁，在非車行道內(nèi)設(shè)r16a球扁鋼加勁。底板寬40.76m，厚均為10 mm，設(shè)r16a球扁鋼加勁。中心線處梁高3m。對應(yīng)立柱腹板處，梁內(nèi)相應(yīng)設(shè)腹板。因立柱在1/5斜平面內(nèi)，因此腹板也在1/5斜平面內(nèi)，為斜腹板。腹板內(nèi)側(cè)和立柱腹板內(nèi)側(cè)對齊。腹板厚標準段為10mm，大立柱頂加強到30mm。腹板上也設(shè)r16a球扁鋼加勁。縱向?qū)?yīng)大小立柱處均設(shè)有橫隔板。其余橫隔板按3.375 m間距設(shè)置。橫梁腹板厚8 mm，對應(yīng)腹板處加強為14mm。詳見圖2。

邊跨系梁每邊分為BW1(BE1)～BW16(BE16)16個節(jié)段，BW1（BE1）節(jié)段和尾端相連，BW16(BE16)節(jié)段和中橫梁相連。標準節(jié)段長度為9m，重量在140 t左右，垂直提升后滑移安裝就位。

圖1 中跨鋼箱梁斷面（單位：mm）

圖2 邊跨鋼箱梁斷面（單位：mm）

3 截面特性及應(yīng)力驗算

按施工工序分階段用全截面特性計算出系梁各階段內(nèi)力，但在計算各截面應(yīng)力時，卻不能按全截面計算，而應(yīng)考慮剪力滯后效應(yīng)，根據(jù)英國規(guī)范BS5400計算出各截面的有效分布寬度下的截面特性，得出相應(yīng)的各階段應(yīng)力，各階段應(yīng)力疊加，得出最終成橋態(tài)的應(yīng)力狀態(tài)。

在BS5400中，按支撐條件的不同，分為簡支梁、連續(xù)梁各內(nèi)跨、自由端加支撐的懸臂梁及懸臂梁4種不同支撐條件的有效寬度比ψ的表格。同時表格內(nèi)又分為跨中、1/4跨及支撐處3項。說明同一截面在不同支撐條件下，不同截面處的有效分布寬度是截然不同的。

3.1 中跨系梁

因為吊桿的作用，中跨系梁的受力體系就象是一個連續(xù)梁。因此在計算截面的抵抗矩時，按連續(xù)梁查表。

首先要確定連續(xù)梁的跨徑。

吊桿間距為13.5 m，如果按l=13.5 m，b/l>1，表內(nèi)已查不到相應(yīng)的ψ值，即使用b/l＝1的ψ值計算出截面特性，算出的應(yīng)力很大，似乎不妥。按l=27 m，54 m，200 m，400 m分別計算了相應(yīng)的 ψ值。見表1。

表1 中跨系梁按不同跨徑計算得出的ψ值

可以看出：l越大，b/l越小，ψ值越大，有效分布寬度越寬，計算得出的截面特性也就越大，應(yīng)力值越小。連續(xù)梁的支撐為剛性支撐，其內(nèi)力影響線在支撐處為零。同樣，我們查看中跨系梁的內(nèi)力影響線后發(fā)現(xiàn)，其影響線類似于跨徑為40.5 m(3×13.5 m)的連續(xù)梁，即每3根吊桿中有1根相當于剛性支撐，而在靠近中橫梁的短束區(qū)，則相當于l=67.5m(5×13.5m)的跨徑。因此，在計算中我們分標準區(qū)和短束區(qū)分開計算，詳見表2。

3.2 邊跨系梁

邊跨系梁受到水平拉索作用下的強大的水平力N，N就好像作用在一個跨徑為170m的簡支梁上，所以在計算面積A時，按簡支梁查表，l=170m。對于彎距來說，因邊跨系梁固結(jié)在立柱上，立柱間距為l=27.375m，其內(nèi)力影響線和連續(xù)梁相同，所以在計算抵抗矩時，就按連續(xù)梁查ψ值，l=27.375m。詳見表3。

3.3 結(jié)論

（1）箱梁跨寬比越小，剪力滯影響越嚴重。所以在寬橋的應(yīng)力計算中，尤其應(yīng)計入剪力滯后效應(yīng)的影響。從表中可看出，在本例中，有效截面的抵抗矩最低時只有全截面的16%，用全截面計算應(yīng)力，顯然是不安全的。

（2）剪力滯的影響沿跨度方向有所不同，在靠近支點處最嚴重，而跨中截面受剪力滯的影響比支點截面小。

（3）對于一些特殊結(jié)構(gòu)，可運用其影響線分析受力特征，求出正確的有效分布寬度。

4 大立柱頂BW 9(BE9)特殊節(jié)段設(shè)計

大立柱下端支撐在拱座上，上端對應(yīng)邊跨系梁BW9(BE9)號節(jié)段。因為在施工過程中，要在BW 9(BE9)節(jié)段頂建造一個高度120 m的施工臨時鋼塔，安裝鋼拱時所需的施工臨時拉索都錨固在臨時塔上，受力較大，且施工周期近一年多，期間可能還會經(jīng)歷強臺風，所以對于臨時鋼塔的下錨固點BW9(BE9)節(jié)段的構(gòu)造要求是非常高的，它關(guān)系到整座大橋的施工進程，是非常關(guān)鍵的一個節(jié)點。

從橫斷面上看，大立柱腹板有1/5的斜率，而臨時鋼塔是垂直的，且大立柱腹板間距為5.099m，而臨時鋼塔外腹板間距為4.75m，中間必然有一個過渡段。從縱斷面上看，大立柱頂腹板間距為5 m,而臨時鋼塔底外腹板間距為7.55 m。由于諸多外在條件的限制，這些尺寸都無法再改變。詳見圖 3、圖 4。

面對這樣的不利條件，BW9(BE9)節(jié)段的設(shè)計就是如何把臨時鋼塔內(nèi)的力安全地傳遞到大立柱上。首先通過臨時鋼塔的底座來解決空間幾何尺寸無法對齊的問題，通過調(diào)節(jié)臨時鋼塔底座腹板的傾斜角使臨時鋼塔內(nèi)的腹板和底座腹板對齊，底座腹板又和系梁內(nèi)腹板對齊，系梁內(nèi)腹板再和大立柱內(nèi)腹板對齊，環(huán)環(huán)相扣，使臨時鋼塔內(nèi)的力最終傳到大立柱，再到拱座基礎(chǔ)內(nèi)。由于每一環(huán)節(jié)中都有一個角度變換問題，同時由于施工誤差等因素會在角度變換處產(chǎn)生一些附加應(yīng)力，為了保證這一重大節(jié)點的安全可靠，采取了以下五個措施：

（1）加厚BW9(BE9)節(jié)段對應(yīng)部分的頂板、底板和腹板，并采用Z向板。

（2）加厚底座鋼板。

（3）在底座、BW 9(BE9)節(jié)段對應(yīng)部分及大立柱內(nèi)澆注混凝土。

（4）在4個角上設(shè)計4根空間三維預(yù)應(yīng)力束穿過底座、系梁和大立柱頂。

（5）在系梁腹板外側(cè)設(shè)置加勁以保證未澆注混凝土部分的安全。

5 材料指標

中跨系梁、邊跨系梁選用鋼材為細晶?？珊附覵355N正火鋼板。中跨系梁標準節(jié)段每平方米鋼材用量為347 kg,邊跨系梁標準節(jié)段每平方米鋼材用量為373 kg,對于這樣的特大橋梁來說，還是比較先進的。

表3 邊跨系梁有效截面計算

圖3 施工臨時鋼塔底座橫斷面圖

圖4 施工臨時鋼塔底座縱立面圖

6 結(jié)語

箱梁跨寬比越小，剪力滯影響越嚴重。所以在寬橋的應(yīng)力計算中，尤其應(yīng)計入剪力滯后效應(yīng)的影響。剪力滯的影響沿跨度方向有所不同，在靠近支點處最明顯。對于特殊結(jié)構(gòu)，可運用影響線分析受力特征，求出正確的有效分布寬度。

盧浦大橋于2003年6月正式建成通車，運行7年來各項性能良好。