引江河大橋主橋系桿拱設(shè)計(jì)

羅琳 姚建鋒

摘 要：結(jié)合江蘇省江都至廣陵高速公路引江河大橋工程實(shí)例，該文從大橋橋型選擇、結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究分析，根據(jù)控制因素確定主橋布跨和結(jié)構(gòu)形式，采用有限元法建立雙肋鋼管混凝土系桿拱橋模型，并對(duì)施工過程和成橋狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果看，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力均滿足受力要求。根據(jù)施工過程計(jì)算結(jié)果擬定了指導(dǎo)施工方法和步驟，橋梁施工期間應(yīng)根據(jù)各截面應(yīng)力、應(yīng)變情況做優(yōu)化調(diào)整，確保構(gòu)件安全。該橋的分析和設(shè)計(jì)可供今后同類橋梁的項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土系桿拱橋 雙肋拱 有限元法 數(shù)值仿真分析

中圖分類號(hào)：U448.225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0097-02

泰州引江河位于江蘇省泰州市與揚(yáng)州市交界處，全長24 km，河底寬80 m，河底高程-3～-3.5 m。引江河大橋位于泰州市高港區(qū)萬莊村萬順組，該位置河口寬約170 m，河道順直規(guī)整，船只較多，現(xiàn)狀為Ⅲ級(jí)航道，凈空60×7 m，通航水位2.819 m。

該橋在江廣高速公路兩側(cè)采用分離式路基進(jìn)行擴(kuò)建，新橋平行于老橋與老橋凈距3.5 m，擬建左右幅擴(kuò)寬橋與航道夾角79°。老橋主橋?yàn)橛?jì)算跨徑70 m系桿拱橋，擴(kuò)寬橋梁和原橋采用相同的結(jié)構(gòu)形式，上部結(jié)構(gòu)主橋采用系桿拱橋，橋型立面示意見圖1。

1 系桿拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主橋上部結(jié)構(gòu)系桿拱

主橋上部結(jié)構(gòu)為70 m（計(jì)算跨徑）下承式鋼管混凝土系桿拱。主橋承重構(gòu)件拱肋及系桿，設(shè)二榀分列。系桿間凈距13.25 m，拱軸線方程y=4fx（L-x）/L2，矢跨比f/L=1/5，跨徑L=70 m，矢高f=14 m。拱肋采用啞鈴型雙圓鋼管斷面，鋼管外徑Φ70 cm，壁厚1.4 cm，內(nèi)充C40微膨脹混凝土；主跨共設(shè)一字型風(fēng)撐3道，K字型風(fēng)撐2道，風(fēng)撐采用啞鈴型雙圓鋼管斷面，鋼管直徑Φ45 cm，壁厚1.0 cm；系桿采用預(yù)應(yīng)力砼箱形斷面，高1.8 m，寬1.4 m，頂板、底板和腹板厚均為0.30 m，于拱腳處漸變?yōu)楦?.95 m的矩形斷面，系桿內(nèi)設(shè)施工勁性骨架。中橫梁間距4.8 m，高115～141.5 cm，肋寬0.7 m，全橋共設(shè)13道。中橫梁預(yù)制吊裝后與系桿連接。橋面板采用高0.25 m的鋼筋混凝土實(shí)心板，在T梁頂澆筑橫橋向0.7 m的濕接頭形成整體。端橫梁為預(yù)應(yīng)力砼箱形梁，高125～151.5 cm，寬2.65 m，與拱腳一起現(xiàn)澆施工，全橋共設(shè)兩道。吊桿采用PESFD7-55索體，外套管采用Φ23.5 cm鋼管，壁厚1 cm。吊桿采用LZM吊桿系統(tǒng)，該吊桿系統(tǒng)采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體，具有安全、可靠的抗疲勞性能和防腐性能，便于施工；吊桿間距4.8 m，全橋共計(jì)26根吊桿。

1.2 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋下部采用柱式墩，蓋梁寬4.0 m，下接兩根Φ2.3 m圓柱墩，墩柱橫橋向間距9.75 m，承臺(tái)高2.5 m。單個(gè)承臺(tái)下采用雙排共4根Φ1.5 m鉆孔灌注樁。

2 靜力計(jì)算

2.1 作用

按照進(jìn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的要求執(zhí)行。

2.2 荷載組合

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.1.5條～4.1.10條組合計(jì)算。其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0采用1.1。

恒載主要包括系梁、拱肋、橫梁、吊桿、風(fēng)撐、橋面板的結(jié)構(gòu)自重以及鋪裝、欄桿、防撞墻、過橋管線等橋面附屬設(shè)施的重量，均按照實(shí)際重量計(jì)入。此外，對(duì)于需要配置壓重的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)需求考慮相應(yīng)的壓重荷載。

汽車荷載：按照現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.1條、第4.3.2條的要求執(zhí)行。

鋼管砼拱肋的汽車荷載沖擊系數(shù)：

其中：f0為拱橋的一階豎向頻率（Hz）。

整體溫差作用：混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)溫度變化按地區(qū)最高和最低溫度確定，并考慮鋼結(jié)構(gòu)溫度遠(yuǎn)高于大氣溫度的實(shí)際特點(diǎn)。

溫度梯度：升溫梯度：T1=5℃、T2=0 ℃；降溫梯度：T1=-5 ℃、T2=0 ℃。

風(fēng)荷載：作用在橋上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算應(yīng)按照現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的規(guī)定執(zhí)行。主梁上的靜陣風(fēng)荷載，主拱和吊桿上的風(fēng)荷載計(jì)算應(yīng)按現(xiàn)行《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）執(zhí)行。

2.3 平面分析建模要點(diǎn)

（1）拱肋與剛性系桿在拱腳處為剛結(jié)，并鉸支在橋墩頂面的支座上。

（2）吊桿上、下端構(gòu)造一般視作為分別鉸接于拱肋下緣和系桿的上緣。

（3）中橫梁及行車道板均以集中力的形式作用于吊桿下結(jié)點(diǎn)截面處。

為分析引江河大橋的受力性能，采用有限元程序進(jìn)行建模。模型采用單片拱肋的平面桿系模型進(jìn)行計(jì)算，橋面系、橫梁的作用均以反力的形式作用在系桿上。

計(jì)算采用的常數(shù)例如結(jié)構(gòu)混凝土彈性模量、質(zhì)量密度、吊桿、鋼鉸線、鋼管等材料參數(shù)均按照橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范取值。

主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，從計(jì)算結(jié)果看，強(qiáng)度和應(yīng)力均滿足受力要求。

根據(jù)靜力計(jì)算結(jié)果，吊桿內(nèi)最大拉力為984.4 kN，安全系數(shù)=3535/984.4=3.6>2.5，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

（1）鋼管混凝土系桿拱是一種無推力的拱式組合體系，是外部靜定結(jié)構(gòu)，兼有拱橋的較大跨越能力和簡支梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強(qiáng)的兩大特點(diǎn)，現(xiàn)狀老橋?yàn)殇摴芑炷料禇U拱，江廣高速在兩側(cè)拓寬，考慮到景觀和橋下凈空的需要，采用與主橋相同的橋型結(jié)構(gòu)，是較優(yōu)越的橋型。

（2）該文對(duì)施工過程以及成橋狀態(tài)下正常使用階段的主要構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算。持久狀況下鋼管砼拱肋的鋼管應(yīng)力不宜大于0.8fy。系桿、橫梁體系的應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2004 6.3節(jié)的相關(guān)規(guī)定。吊桿在標(biāo)準(zhǔn)組合下的安全系數(shù)建議不小于3。

（3）該文所述施工方案系設(shè)計(jì)計(jì)算所擬定的施工步驟，鋼束的張拉順序及張拉力應(yīng)在橋梁施工期間應(yīng)根據(jù)各截面應(yīng)力、應(yīng)變施工監(jiān)控情況作優(yōu)化調(diào)整，確保構(gòu)件在施工期及成橋階段各截面的應(yīng)力、應(yīng)變控制在規(guī)范的規(guī)定值以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]陳寶春，鄭皆連.鋼管混凝土拱橋?qū)嵗ㄒ唬M].北京：人民交通出版社，2000.