梁拱組合體系斜靠拱橋設(shè)計

崔 寧，韓 青

（四川中恒工程設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610081）

0 引言

自1984年西班牙巴塞羅那baede road bridge橋建成以來，斜靠拱橋以其獨特結(jié)構(gòu)，以及極具景觀效果的立面造型在各地得到了廣泛的采用。我國也相續(xù)建成了鎮(zhèn)江新河橋、昆山樾河橋等斜靠拱橋，為橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了廣闊的空間。

本文以安徽宣城市鳳凰橋為工程實例，結(jié)合斜靠拱的受力特點，介紹梁拱組合體系斜靠拱的設(shè)計過程，并通過數(shù)值分析對結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定和局部進(jìn)行全面的解析。

1 工程概述

該工程為安徽宣城市鳳凰舊橋的重建工程，根據(jù)初步設(shè)計對結(jié)構(gòu)方案比選，綜合景觀、造價和施工工期等因素，橋梁選型采用單孔四榀斜靠式無推力組合拱橋。橋梁全長80 m，單跨橫越宛溪河，雙向4車道，兩側(cè)各設(shè)非機動車道和人行道，全寬35 m，兩側(cè)設(shè)弧形觀景平臺，跨中最大寬度50 m。拱圈由四片拱肋組成，內(nèi)拱為平行拱肋，外拱為兩側(cè)傾斜拱肋。中間內(nèi)拱為橋梁的主要結(jié)構(gòu)部分，內(nèi)、外拱肋構(gòu)成非機動車、人行道的空間。橋面開闊、通暢，四條拱圈四個索面氣勢恢宏，橋型新穎、美觀（見圖1）。橋梁于2007年10月1日正式竣工通車，經(jīng)過多年使用，結(jié)構(gòu)安全可靠。

2 結(jié)構(gòu)形式選擇

圖1 鳳凰橋?qū)嵕?/p>

參考已建成的斜靠拱橋所選用的結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)過初步計算比對，該橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁作為內(nèi)拱圈加勁梁的梁拱組合體系。內(nèi)拱肋與加勁梁抗彎剛度比Ia/Ib為1/8.60，在梁拱組合體系中屬于“剛梁剛拱”，結(jié)構(gòu)界于系桿拱與郎格梁之間。這種體系具有以下技術(shù)優(yōu)點：（1）主梁整體剛度大，在活載作用下橋面位移量較小，避免了橋面出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象，增加行人通行的舒適性。（2）梁、拱斷面尺寸協(xié)調(diào)，整體顯得較輕盈，與全橋建筑風(fēng)格一致。（3）施工方式可以采用先梁后拱的施工方式，減低施工難度，便于施工控制。（4）加勁梁在與主拱圈連接處有空間設(shè)置強大的端橫梁，為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供保障。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁采用四榀斜靠式梁拱組合結(jié)構(gòu)，橋梁全長為80 m，內(nèi)拱圈計算跨徑78 m，計算矢高19.5 m，矢跨比1:4，線型采用二次拋物線；外拱圈計算跨徑80 m，計算矢高22.973 m（斜距），矢跨比1:3.482，線型采用二次拋物線拱圈，外拱圈立面內(nèi)傾角66.936°。拱圈斷面均為倒三角形三肢鋼管混凝土。橋梁總體布置見圖2、圖3所示。

圖2 橋梁立面圖（單位：m）

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：m）

3.1 拱圈設(shè)計

內(nèi)拱和外拱均采用無鉸拱的型式，拱肋由三根Φ500×12鋼管組成的倒三角形，并與腹板、蓋板形成封閉斷面。拱肋斷面的外形尺寸為2.0 m（寬）×2.0 m（高）。拱圈為鋼管混凝土斷面，內(nèi)拱鋼管及拱內(nèi)三角形空間灌注C50微膨脹混凝土，而外拱僅在鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。拱腳段5 m范圍內(nèi)拱肋的灌注混凝土摻入1.5%的鋼纖維以抑制混凝土的收縮和膨脹變形。上蓋板及腹板均采用Q345加勁鋼板，厚度10 mm。內(nèi)拱和外拱之間設(shè)置6道橫撐，橫撐斷面為啞鈴形空鋼管桁架，使得內(nèi)外拱組合構(gòu)成橫向穩(wěn)定體系。

3.2 加勁梁設(shè)計

加勁梁采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高1.8 m，梁寬35 m，橫向分七個箱室。頂板厚25 cm，底板厚20 cm，腹板厚60 cm。主梁每隔4 m設(shè)一道60 cm寬橫隔板，以便錨固吊桿和布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。兩端設(shè)4.5 m寬的端橫梁以加強拱圈和主梁連接，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。梁體設(shè)兩側(cè)設(shè)19道人行道挑梁，懸挑長度1.2～7.5 m，挑梁與圓弧形人行道外緣對應(yīng)。梁體采用C50混凝土。

3.3 預(yù)應(yīng)力設(shè)計

拱橋加勁梁按預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，采用縱、橫向雙向預(yù)應(yīng)力體系。縱向鋼束均布置在腹板內(nèi)，采用OVM15-12預(yù)應(yīng)力錨固體系；橫向鋼束布置在橫隔板和端橫梁內(nèi)，采用OVM15-7預(yù)應(yīng)力錨固體系。預(yù)應(yīng)力張拉均采用兩端張拉。

3.4 吊桿設(shè)計

拱圈吊桿縱向均以4 m等間距布置，共設(shè)17對吊桿。直吊桿拉索體系采用可調(diào)式OVMLMZ7-109Ⅲ型成品索及配套錨具，張拉端設(shè)在內(nèi)拱拱頂，錨固端設(shè)在箱梁底；斜吊桿拉索體系采用可調(diào)式OVMLMZ7-37Ⅰ型成品索及配套錨具，張拉端設(shè)在外拱頂，固定端設(shè)在人行道挑梁端部。

3.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋臺采用重力式橋臺，橋臺基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計。樁基直徑均采用Φ180 cm，嵌入中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖深度不小于6 m。承臺為整體承臺，厚度為3 m。

4 施工過程

橋梁結(jié)構(gòu)體系是按照先梁后拱的順序形成。橋梁施工分以下9個步驟：（1）鉆孔灌注樁采用機械成孔，完成橋臺施工；（2）采用支架現(xiàn)澆主梁并進(jìn)行全部縱向預(yù)應(yīng)力張拉；（3）預(yù)制安裝拱圈并進(jìn)行初級防腐；（4）預(yù)張吊桿；（5）張拉主梁橫向預(yù)應(yīng)力；（6）卸架并調(diào)整吊桿索力；（7）完善橋面系；（8）完成吊桿的最終索力調(diào)整并封錨；（9）鋼結(jié)構(gòu)的外表氟碳漆防腐。

5 結(jié)構(gòu)分析

由于斜靠拱的空間效應(yīng)明顯，空間各方向超靜定約束較多，結(jié)構(gòu)計算不能單純用平面桿系程序進(jìn)行簡化計算，應(yīng)通過空間有限元程序進(jìn)行全橋三維有限元分析。計算程序采用“midas civil 2006”空間分析程序。內(nèi)部約束條件為內(nèi)拱拱腳與主梁之間固接，橋面與吊桿之間鉸接，外拱頂部與內(nèi)拱間橫向弱連接。整個體系外部約束中加勁梁外部采用縱向滑動，橫向約束，外拱端部為固接約束。模型簡圖見圖4所示。

圖4 空間模型計算離散圖

5.1 靜力分析

計算工況參照橋梁施工順序，選取較為典型的11個施工階段和一個運營階段（見表1）。

表1 典型工況列表

計算參數(shù)和組合均按規(guī)范要求取值和選用。主要計算結(jié)果見表2～表4所列。

表2 短期效應(yīng)組合加勁梁控制截面應(yīng)力列表（單位：MPa）

表3 短期效應(yīng)組合內(nèi)拱應(yīng)力列表 (單位：MPa)

表4 短期效應(yīng)組合外拱應(yīng)力列表 (單位：MPa)

計算表明：加勁梁、內(nèi)拱和外拱在截面強度、應(yīng)力驗算、變形驗算和抗裂驗算均滿足規(guī)范要求，吊桿根據(jù)計算最大內(nèi)力選用成品吊桿。

5.2 穩(wěn)定分析

鳳凰橋利用加勁梁、內(nèi)拱與外拱組成整體空間結(jié)構(gòu)體系，空間效應(yīng)明顯，穩(wěn)定性問題是該橋型成功與否的關(guān)鍵。圖5和圖6分別為施工階段和運營階段的失穩(wěn)模態(tài)。

圖5 施工階段失穩(wěn)模態(tài)

圖6 運營階段失穩(wěn)模態(tài)

通過對各個施工階段和運營階段的穩(wěn)定性分析，施工階段結(jié)構(gòu)一類穩(wěn)定安全系數(shù)λ最小＝21.3；運營階段結(jié)構(gòu)一類穩(wěn)定安全系數(shù)λ最小＝14.6。穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)果均大于4，滿足規(guī)范的要求。

5.3 局部計算

對于梁拱組合體系橋梁，拱圈與加勁梁連接處受力很復(fù)雜，為了避免出現(xiàn)局部裂縫，單獨對內(nèi)拱拱腳作局部應(yīng)力分析。拱腳主應(yīng)力分布見圖7所示。

圖7拱座主應(yīng)力分布圖

分析結(jié)果表明拱腳內(nèi)弧側(cè)有較大拉應(yīng)力區(qū)，名義拉應(yīng)力峰值為-6.01 MPa。因此在圖紙設(shè)計中對該區(qū)域進(jìn)行局部加強，以防止局部裂縫產(chǎn)生。當(dāng)拱圈進(jìn)入端橫梁區(qū)后，應(yīng)力分散較快，其應(yīng)力水平均不控制斷面設(shè)計。

6 結(jié)語

鳳凰橋設(shè)計是梁拱組合體系在斜靠拱橋上的運用與創(chuàng)新。該橋結(jié)構(gòu)新穎、受力復(fù)雜，在國內(nèi)同類型橋梁中屬于較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系。通過結(jié)構(gòu)計算與經(jīng)驗借鑒，并在設(shè)計中深入分析和優(yōu)化，使該橋上下部結(jié)構(gòu)合理，外形美觀、獨特，符合安全、經(jīng)濟和美觀的原則。

[1] 肖汝誠，孫海濤，賈麗軍.斜靠式拱橋[J].上海公路，2004，（4）：22-26.

[2]王純，郭卓明，王健.雙提籃拱橋的設(shè)計與靜力穩(wěn)定分析[A].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會2005年全國橋梁學(xué)術(shù)論文集[C].

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范[S].