大同市北都橋總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

陳何峰，吳用賢，王 碩

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

1 設(shè)計概要

大同市北都橋位于山西省大同市主城區(qū)平城街延伸段上，是連接大同古城與新城的重要通道。大橋的建筑設(shè)計通過對廊塔拱肋造型的處理，融入了大同歷史文化元素，既古樸又新穎，較好地展現(xiàn)了古典與現(xiàn)代風(fēng)格相結(jié)合的建筑風(fēng)貌。在結(jié)構(gòu)布置上，結(jié)合引橋的人行廊道，主橋鋼桁架拱采用單側(cè)雙吊桿的布置，其效果見圖1。

圖1 大同市北都橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

北都橋主橋采用140 m下承式鋼桁架拱橋，兩側(cè)引橋采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長671 m。其橋型布置見圖2所示。

主橋的鋼桁架拱肋由4個鋼箱組成，橋面結(jié)構(gòu)采用結(jié)合梁，單側(cè)雙吊桿設(shè)置。設(shè)計中主箱梁采用雙主梁與橫梁組合的結(jié)構(gòu)形式。充分利用較寬主梁的結(jié)構(gòu)，使其不僅成為吊桿的受力錨固結(jié)構(gòu)，也起到拱橋的系梁作用，承擔(dān)全部的水平推力。這樣的設(shè)計較好地解決了雙吊桿橫向布置問題，也省去了體外索設(shè)置，使受力更為明確，結(jié)構(gòu)構(gòu)造更為合理。

圖2 橋梁整體布置（單位：m）

橋面結(jié)構(gòu)由鋼系梁、鋼橫梁、鋼小縱梁和鋼筋混凝土橋面板組成。鋼系梁采用箱形斷面，梁高2.222 m，箱梁內(nèi)側(cè)寬4.0 m，設(shè)兩道腹板。吊桿處及其中間設(shè)置鋼橫梁，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫梁采用工字形斷面，跨中處梁高2.6 m。拱腳處端橫梁采用單箱雙室箱形斷面。鋼橫梁間設(shè)置5道鋼小縱梁，采用工字型截面。拱腳處采用拱肋與鋼系梁固結(jié)體系，采用腹板傳力。同主拱肋腹板對應(yīng)，拱腳處鋼系梁設(shè)置4道腹板。

與鋼梁格結(jié)合成一體的鋼筋混凝土面板，全寬36.5 m。橋面板分成預(yù)制和現(xiàn)澆接縫兩部分，預(yù)制板厚250 mm。現(xiàn)澆接縫混凝土通過鋼梁頂面的抗剪栓釘、預(yù)制板的外伸鋼筋及接縫的縱橫鋼筋聯(lián)結(jié)成整體。

主拱肋由4片桁架組成，單側(cè)拱肋間中心距為2.0 m。上下弦桿均采用同心圓曲線，下弦桿矢高為28 m，矢跨比1/5。上下拱肋采用X形斜腹桿連成整體。上下拱肋均采用箱形斷面，腹桿采用工字形斷面。腹桿和弦桿腹板采用焊接，拱肋上下弦節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接。全橋共設(shè)置二道風(fēng)撐，一字型形式。

主橋吊桿選用平行鋼絲冷鑄錨吊桿，吊桿采用PES7-55吊桿，共96根。

主橋基礎(chǔ)承臺采用兩級承臺，上承臺7×10.4 m，高1 m；主承臺10 m×11 m，高2.5 m，下設(shè)群樁基礎(chǔ)，直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁共8根，樁長50～52 m。支座采用雙曲面球型減隔震支座。

主橋橫向布置見圖3。

圖3 主橋橫向布置圖（單位：m）

3 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場條件及工程特點，以下為具體施工方案。

（1）第1階段：全橋樁基、承臺及墩身施工；主橋臨時樁施工，搭設(shè)縱梁支架。

（2）第2階段：支架上安裝鋼箱梁，拱腳節(jié)段和鋼橫梁；架設(shè)預(yù)制橋面板。

（3）第3階段：主梁上搭設(shè)臨時支墩，分節(jié)段安裝拱肋至合攏。

（4）第4階段:拆除拱的臨時支墩，安裝吊桿并張拉吊桿力至480 kN，拆除鋼梁支架。

（5）第5階段:澆筑橋面板濕接縫。

（6）第6階段:施工橋面鋪裝等橋面系，張拉吊桿至成橋索力750 kN。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

4.1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干道I級；

（2）設(shè)計車速：60 km/h；

（3）設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級；

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a；

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級；

（6）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：按7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本加速度值0.165 g。

4.1.2 設(shè)計荷載

（1）恒載

一期恒載：按主梁鋼材和橋面板按實際重量計算；二期恒載(兩側(cè))：鋪裝（橋面板上90 mm瀝青）；人行道板5 kN/m(單側(cè))，鋪裝按10 cm瀝青，防撞墻（單個）10 kN/m；考慮管線（單側(cè)）5 kN/m。

（2）活荷載

按公路I級，8車道；人群及非機(jī)動車荷載：取2.55 kN/m2。

（3）溫度荷載

體系升溫30℃，體系降溫-34℃。混凝土梁截面非線性溫差：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）采用。

（4）靜風(fēng)荷載

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取用；按100 a一遇風(fēng)速34.4 m/s進(jìn)行計算，橋面風(fēng)速達(dá) 46 m/s，考慮風(fēng)速較大（＞25 m/s），考慮封閉交通。與汽車荷載組合的風(fēng)速取橋面風(fēng)速25 m/s。

4.2 整體靜力計算

（1）計算模型

采用MIDAS_Civil2006(V7.4.1版)程序計算，將結(jié)構(gòu)離散為空間桿系模型，按結(jié)構(gòu)實際尺寸和施工過程進(jìn)行模擬計算分析。主梁分別采用脊骨梁模型建模進(jìn)行計算。系梁及拱肋用梁單元模擬，預(yù)制橋面板采用板單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，共有板單元648，梁單元2 244，桁架單元96，節(jié)點數(shù)2 491。計算結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 主橋整體計算模型圖

（2）計算結(jié)果

經(jīng)計算分析，拱梁關(guān)鍵截面在成橋初期及運營階段應(yīng)力狀態(tài)如表1所示。

各種工況下，鋼結(jié)構(gòu)使用正應(yīng)力都未超過200 MPa，剪應(yīng)力應(yīng)力未超過120 MPa，應(yīng)力水平合理，滿足規(guī)范要求。

橋面順橋向每2.65 m左右布置一道鋼橫梁，橫橋向每6.0 m布置一道小縱梁，為單向板受力結(jié)構(gòu)。依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第4.1條，按單向板進(jìn)行計算，公路-I級車輛荷載布載。按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，橋面板上下緣均配直徑為22 mm的HRB335鋼筋，間距為100 mm，正常使用極限狀態(tài)最大裂縫寬度為0.16 mm，滿足規(guī)范要求。

表1 桿系模型的桿件應(yīng)力一覽表（單位：MPa）

4.3 穩(wěn)定計算結(jié)果

拱肋為壓彎構(gòu)件，應(yīng)計算桿件整體穩(wěn)定。根據(jù)整體計算結(jié)果，主橋一階失穩(wěn)系數(shù)為10.5。從造型美觀方面考慮，鋼桁架拱軸線采用圓弧線，且采用桁架體系拱肋，受力較為復(fù)雜。拱肋受力除軸壓外，另有部分面內(nèi)及外面彎矩存在。因此利用整體計算模型，進(jìn)行屈曲模態(tài)計算，反推出拱肋失穩(wěn)極限荷載。再根據(jù)歐拉公式，推導(dǎo)出拱肋計算長度。結(jié)合有限元計算結(jié)果，拱肋整體穩(wěn)定系數(shù)φ=0.75。

因此考慮穩(wěn)定后，組合I拱肋最大控制壓應(yīng)力為 φ[σ]=0.75×200=150 MPa。拱肋鋼結(jié)構(gòu)組合 I最大壓應(yīng)力為142.3 MPa，滿足要求。

4.4 拱腳局部分析

（1）計算模型

大橋拱肋和主梁及端橫梁相交節(jié)點處受力情況較為復(fù)雜，針對這一情況用通用有限元程序ANSYS對拱腳節(jié)點進(jìn)行局部有限元模型受力分析。采用shell63單元模擬鋼板，用solid 65單元模擬橋面板混凝土，共有59 033個節(jié)點，2D單元56 242，3D單元4 850。拱腳節(jié)點有限元模型見圖5。

（2）施加計算荷載

根據(jù)Midas/civil桿系分析結(jié)果，提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力及反力施加于實體模型，分別對恒載、恒載+活載（最大）、恒載+活載（最小）3個工況進(jìn)行局部分析。支座反力的面荷載加在主梁底面支座墊板中央范圍內(nèi)。節(jié)點內(nèi)力施加在主梁、中橫梁以及拱肋的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的下弦桿、斜腹桿、直腹桿的端部設(shè)置的剛臂上。邊界條件為約束端橫梁跨中截面和約束主梁橫斷面。

圖5 拱腳-主梁節(jié)點局部有限元模型

（3）分析結(jié)果

圖6為恒載作用下拱腳節(jié)點的受力情況。左幅是從外側(cè)拱肋的斜上方觀察的視角，可以看出外側(cè)拱肋的受力大于內(nèi)側(cè)拱肋；右幅是從內(nèi)側(cè)拱肋的斜上方觀察的視角。表2列出3種工況下主要板件Mises應(yīng)力。

圖6 恒載作用下拱腳節(jié)點Mises應(yīng)力分布圖（單位：kPa）

表2 拱腳節(jié)點關(guān)鍵桿件應(yīng)力一覽表（單位：MPa）

可以看出，除局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中外，拱腳板件大部分應(yīng)力水平合理，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一座主跨140 m單側(cè)雙吊桿的鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計中通過合理布置結(jié)構(gòu)橫斷面形式，選擇合適系梁結(jié)構(gòu)，使受力更為明確，構(gòu)造更為合理。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的靜力、穩(wěn)定分析及拱腳局部三維分析，表明在各個施工階段和運營階段下，該橋各個部位的應(yīng)力均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

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