連續(xù)梁拱組合景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

周建

(南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，廣西 南寧 530000)

連續(xù)梁拱組合景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

周建

(南寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，廣西 南寧 530000)

掘苴河橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)梁拱組合體系，剛梁剛拱，主橋采用（35+70+35）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼箱拱肋組合結(jié)構(gòu)。介紹掘苴河橋主橋的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，并通過結(jié)構(gòu)靜力、動力以及拱腳局部驗算，對連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)體系進行具體分析。

連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)；設(shè)計；景觀橋；靜力、動力分析

1 工程概況

項目位于如東縣城新城區(qū)道路規(guī)劃路網(wǎng)七橫七縱主干道路系統(tǒng)中，東西向貫通的一條主干路，橋梁跨越掘苴河，主橋采用（35＋70＋35）m跨徑布置的連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)體系橋，兩側(cè)引橋均采用4×30 m跨徑布置的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。橋型布置如圖1所示。

2 主要技術(shù)標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）荷載標準：橋梁荷載等級：公路-Ⅰ級，人群荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)取用。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期：100 a。

（4）橋梁設(shè)計安全等級：一級。

（5）抗震標準：抗震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度0.10 g。本橋橋梁抗震設(shè)防類別為B類。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁采用三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，整體式箱型斷面，總寬度為36 m。主梁主墩墩頂梁高為3.3 m，跨中及邊墩墩頂梁高為2.0 m。主梁縱橋向設(shè)置25道橫隔梁及4道橫梁，箱梁頂面橫坡設(shè)置為雙向2%，梁底水平。橫斷面構(gòu)造如圖2所示。

主梁橫斷面采用整幅單箱五室箱型斷面，外側(cè)大挑臂部分利用橫隔梁進行支撐。考慮到景觀效果，箱梁大挑臂部分采用局部鏤空的斜腹板布置形式。箱梁總寬36 m，底板總寬25 m，外側(cè)挑臂長5.5 m。最外側(cè)邊腹板和內(nèi)側(cè)邊腹板厚度縱向等厚，為40 cm。兩道主腹板厚度：主跨跨中處腹板厚度為90 cm，邊跨跨中處腹板厚度為100 cm，主墩墩頂處腹板厚度為250 cm，邊墩墩頂處腹板厚度為130 cm。頂板厚度為25 cm；跨中及墩頂?shù)装搴穸确謩e為25 cm及65 cm。

主墩處拱腳橫向?qū)挾葹?.8 m，外包鋼板。

主梁縱橋向設(shè)置25道橫隔梁及4道橫梁。橫隔梁標準寬度除近主墩處2道橫梁為60 cm(全橋共計4道)外，其他均為40 cm。主墩橫梁標準段寬度為2 m，邊墩墩頂橫梁標準段寬度為196 cm。外側(cè)大挑臂橫梁厚度均為40 cm。

箱梁預(yù)應(yīng)力分為縱向、橫梁(橫隔梁)橫向預(yù)應(yīng)力及拱腳豎向預(yù)應(yīng)力，均采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

3.2 主拱拱肋和吊桿

主橋拱肋為全鋼結(jié)構(gòu)，采用中間矩形鋼箱截面受力為主、兩側(cè)圓形鋼管為輔的截面形式，如圖3所示。

中間鋼箱結(jié)構(gòu)高1.6 m、寬1.4 m，為拱肋主要受力構(gòu)件。鋼箱頂、底板及腹板均采用2 cm厚鋼板。縱向加勁采用I形加勁肋，為20 mm厚鋼板。橫向加勁板為徑向布置的16 mm厚鋼板，間距根據(jù)拱肋受力情況進行調(diào)整。

主拱通過PBL剪力鍵傳力于主墩拱腳混凝土，剪力鍵由t=20 mm、b=200 mm的鋼板組成，剪力鍵挖空直徑為6 cm，間距為20 cm，孔內(nèi)貫通鋼筋為HRB335 D22 mm鋼筋。

每根吊桿對應(yīng)主拱鋼箱位置均設(shè)置一處雙層橫隔板。橫隔板與鑄鋼材料的耳板采用高強螺栓進行連接，橫隔板與鑄鋼材料接觸面摩擦系數(shù)應(yīng)通過試驗確定大于0.4。吊桿力通過耳板與吊桿叉耳相連傳遞于主拱肋，主拱均采用二次拋物線線形。

圖1 掘苴河橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 主梁1/2橫斷面圖（單位：cm）

圖3 主拱斷面構(gòu)造圖（單位：cm）

外側(cè)為直徑60 cm的圓形鋼管，鋼管通過豎向綴板與中間鋼箱相連，對拱肋穩(wěn)定起到加強作用。

吊桿采用GJ整束擠壓拉索體系成品吊桿索。全橋共設(shè)置2×11根吊桿，縱向間距為5 m。吊桿上端構(gòu)件(固定端)采用叉耳構(gòu)件與拱肋耳板連接。每根吊桿下對應(yīng)一根橫隔梁，吊桿下端構(gòu)件(張拉端)內(nèi)置于主梁橫隔梁內(nèi)。

4 施工方法

掘苴河為通航河道，通航要求凈高為3.5 m，凈寬要求18 m，故本次主橋采用少支架現(xiàn)澆施工，“先梁后拱”的施工工藝，施工期間搭設(shè)預(yù)留18× 3.5 m通航孔。全橋主要施工過程如下：

（1）樁基施工。

（2）橋墩承臺、橋臺承臺施工。同時進行主橋及引橋支架的地基處理，以保證地基承載力及沉降滿足施工期間支架預(yù)壓及現(xiàn)澆的要求。

（3）搭設(shè)支架，其中主橋主跨支架預(yù)留通航孔。

（4）澆筑主橋0＃節(jié)段并張拉縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（5）澆筑1＃節(jié)段并張拉縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（6）澆筑2＃節(jié)段進行邊跨合龍，同時澆筑主跨跨中3＃節(jié)段。

（7）澆筑4＃節(jié)段進行中跨合龍。

（8）主橋主梁施工完畢后，澆筑引橋主梁并張拉相應(yīng)縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

（9）拱肋在工廠進行預(yù)制后運輸至現(xiàn)場。在主橋主梁上搭設(shè)少支架進行現(xiàn)場拼裝。

（10）安裝吊桿，并初始張拉吊桿。

（11）主橋落架后測量吊桿力，并根據(jù)設(shè)計文件調(diào)整吊桿力。

（12）橋面系等附屬設(shè)施施工，全橋竣工。

5 結(jié)構(gòu)靜力計算

5.1 主梁縱向計算

主梁縱向計算采用MIDAS有限元程序，主梁采用單梁的模擬方法，計算截面采用橫向等高度橫截面，采用截面特性調(diào)整系數(shù)考慮橫坡對截面特性的影響，預(yù)應(yīng)力鋼束按照設(shè)計線形輸入。

主梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，在最不利荷載組合下主梁應(yīng)力驗算結(jié)果如圖4所示。

圖4 主梁驗算結(jié)果圖(單位：MPa)

主梁在短期效應(yīng)組合下除了邊支點附近截面上緣出現(xiàn)法向拉應(yīng)力1.08 MPa外，其他斷面在短期效應(yīng)組合下全截面受壓；在短期效應(yīng)組合下主梁主拉應(yīng)力圖中，最大主拉應(yīng)力為1.0 MPa，小于規(guī)范限值1.325 MPa，均滿足規(guī)范要求。

5.2 主梁橫向計算

主梁橫向計算采用MIDAS有限元程序，主梁橫向計算按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計。

主橋端橫梁在短期組合下，上緣應(yīng)力為0.77～－7.45 MPa，下緣應(yīng)力為0.35～－7.86 MPa，最大主拉應(yīng)力為1.02 MPa，位于支座位置。

主橋中橫梁在短期組合下，上緣應(yīng)力為0.3～－7.10 MPa，下緣應(yīng)力為0.1～－4.19 MPa，最大主拉應(yīng)力為1.25 MPa，均滿足規(guī)范要求。

5.3 拱拱肋驗算

5.3.1 主拱拱肋驗算

拱肋鋼結(jié)構(gòu)的強度驗算，荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》定義和組合，材料的強度設(shè)計值按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)的材料強度設(shè)計值，本橋拱肋鋼結(jié)構(gòu)采用材料為Q345qD鋼材。主拱拱肋計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 主拱拱肋驗算結(jié)果圖(單位：MPa)

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，拱肋鋼材的強度設(shè)計值為295 MPa，均大于拱肋上下緣最大法向應(yīng)力，因此拱肋強度滿足規(guī)范要求。

5.3.2 拱腳驗算

拱梁連接局部處受力較為復(fù)雜，利用ANSYS通用有限元分析軟件對拱腳局部區(qū)域進行了局部應(yīng)力分析，如圖6和圖7所示。

圖7表明，拱腳區(qū)域A處在施工階段和使用階段(持久狀況)下一直處于受壓狀態(tài)，可以不設(shè)置該方向上的預(yù)應(yīng)力束；拱腳區(qū)域B若不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束時，在施工階段和使用階段將會出現(xiàn)豎向的拉應(yīng)力(約4 MPa)，在拱腳段設(shè)置豎向鋼束后，區(qū)域B的豎向和縱橋向拉應(yīng)力都能滿足要求。

圖6 拱腳局部計算模型示意圖

圖7 拱腳驗算結(jié)果 (單位：Pa)

5.4 吊桿驗算

在承載能力組合下拱肋吊桿的最大軸拉力：短吊桿最大軸力為792 kN，長吊桿最大軸力為1 503 kN。吊桿采用PESFD5-127，其拉索破斷力為4 164 kN，考慮2.5的安全系數(shù)后，吊桿拉力允許值為1 665 kN＞1 503 kN，因此吊桿的強度滿足規(guī)范要求。

6 動力計算

采用MIDAS軟件建立空間計算模型，主梁、主拱及吊桿采用空間梁單元，吊桿采用僅受拉桁架單元。不考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)的自振頻率特性如圖8所示。

成橋后，以結(jié)構(gòu)自重（包括二期荷載）為可變荷載，拱肋的前四階失穩(wěn)模態(tài)如圖8所示。從圖中可以看出，拱肋前四階失穩(wěn)模態(tài)均為面外失穩(wěn)，相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為10.31、10.32、14.2和14.2。

圖8 成橋階段拱肋整體穩(wěn)定模態(tài)圖

7 結(jié)論

（1）剛梁剛拱的連續(xù)梁拱組合橋，拱肋能顯著提高主梁的豎向剛度，具有較大的豎向剛度和較好的動力性能，與同跨度連續(xù)梁橋相比，可采用更小的建筑高度。

（2）連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，通過拱肋的造型設(shè)計和主梁外觀的改觀，具有較好的景觀效果，在景觀要求較高的城市橋梁中，不失為一種較為合適的橋跨結(jié)構(gòu)。

[1]金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁——設(shè)計研究與實踐[M].北京：人民交通出版社，2001﹒

[2]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，2003﹒

[3]小西一郎.鋼橋[M].日本丸善株式會社，1976.

[4]王法武.京杭運河特大橋連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].城市道橋與防洪，2012（9）：83-85﹒

[5]賈超鋒.新華莊特大橋主橋連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].中國鐵路，2009（7）：33-36﹒

U448.21+6

B

1009-7716（2016）05-0106-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.029

2016-02-18

周建（1982-）,男，江西上饒人，本科，路橋工程師，從事橋梁設(shè)計工作。