大同市北環橋主橋結構設計及計算分析

吳用賢

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

大同市北環橋主橋結構設計及計算分析

吳用賢

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

重點介紹了山西省大同市連接新老城區的一座重要城市景觀橋梁——北環橋的結構設計和施工方案。該橋主橋采用四跨連續拱梁協作體系，其中主跨采用兩跨連續空間三角形拱橋。橋梁造型結構新穎、獨特，拱塔結構采用非常規結構的三角拱形式。通過靜力及穩定分析，驗證了該設計方案的合理性以及安全性，可為同類橋型設計提供參考。

拱梁協作體系；結構設計；三角拱；大同市

1　設計概要

大同市北環橋是山西省大同市主城區北環路跨御河節點工程，是連接古城區和御東新城區的又一條重要通道。全橋采用不對稱三角拱結構布置形式，方案構思以五岳中的北岳恒山主峰——天峰嶺和翠屏峰為造型元素，其為恒山主峰的東西兩峰。兩峰對望，高低相伴，層次分明。采用兩跨不對稱斜拱形成新穎獨特的橋梁造型，好似一條飛龍跨越在御河之上，獨特的拱結構給人自然流暢的視覺感受，舒緩、大氣，剛柔并進，通過結構本身的力度來體現結構的造型之美，簡潔、明快、挺拔、剛勁有力。其效果見圖1所示。

圖1　大同市北環橋效果圖

2　結構設計

北環路御河橋主橋采用四跨連續拱梁協作體系，其中主跨采用兩跨連續空間三角形拱橋。橋梁造型結構新穎、獨特，拱塔結構采用非常規結構的三角拱形式，橋梁造型為國內首創。主橋跨徑布置28 m+70 m+130 m+28 m=256 m。兩側引橋采用等高度預應力混凝土連續箱梁結構，橋梁全長576 m。主橋橋型布置見圖2所示。

圖2　橋梁整體布置圖（單位：m）

鋼梁采用雙主梁結構，70 m次邊跨和130 m主跨，標準斷面全寬48 m，其中包括3.5 m挑臂+ 6 m主梁+29 m橫梁+6 m主梁+3.5 m挑臂。為與引橋銜接，邊跨縮窄至38 m，包括2.5 m挑臂+ 2 m主梁+29 m橫梁+2 m主梁+2.5 m挑臂。橫梁跨中（即道路中心線處）梁高為2.5 m，采用雙側2%橫坡。標準橫梁間距3 m，橋面為正交異性橋面板［1］。

拱肋為內傾三角拱結構，內傾角度73.84°。橋面以上副拱高度15.8 m，主拱高度54.8 m。主副拱交叉處拱腳至橋面高度為12.2 m。拱肋采用六邊形斷面形式，為保證拱梁之間傳力及拱頂吊桿的錨固，主副拱在P9墩及P11墩處拱梁固結區、拱頂均在六邊形截面基礎上增設縱向中腹板。

副拱采用PES7-109平行鋼絲吊桿，雙側共10根吊桿，梁上吊桿間距為6 m；主拱采用PES7-139平行鋼絲吊桿，雙側共20根吊桿，梁上吊桿間距為9 m。由于拱上錨固方式為集中錨固，因此主副拱吊桿索面均為扇形。全橋拱30根吊桿，抗拉強度1 670 MPa。吊桿安全系數為3.0。

主橋P10墩為拱腳固結墩，主、副拱肋拱腳通過埋置在承臺內部的錨固架進行固定及傳力。承臺采用“回”字形，外側高度5.0 m，系梁高度為4.0 m，共設置36根直徑1.8 m鉆孔樁，樁長為65 m。P9、P11墩柱為保持與拱肋斷面協調一致，采用六面形斷面形式，上大下小，承臺高度為3 m，均采用鉆孔灌注摩擦樁，混凝土采用C30水下混凝土，配設直徑1.5 m鉆孔樁，每個承臺下各6根，樁長為54 m。

吊桿梁上錨固采用錨管形式。主梁在吊桿錨固點處，兩橫隔板之間區設計縱向隔板，通過錨管形式錨固于縱向隔板上。為保證張拉空間，主梁底板開張拉孔。傳力路徑為：吊桿→吊點縱向隔板→主梁橫隔板和頂板→主梁腹板。拱頂吊桿錨固節點中，拱肋底板開槽，中腹板伸出拱肋形成大耳板拱吊桿叉耳集中錨固。拱肋內設置多道環向加勁，副拱環向加勁間距為1.15 m，主拱為1 m。傳力途徑為吊桿→大耳板（中腹板）→環向加勁→拱壁。

該橋設計的技術難點和關鍵點在于4個拱梁固結節點、2個拱頂集中錨固節點、拱腳節點。拱梁固結節點采用拱肋貫通、主梁斷開的結構形式，主梁頂底板、橫隔板均在拱肋內設置對應隔板，并在主梁內外設置小加勁肋防止疲勞破壞。拱頂節點中，拱肋底板開槽，中腹板伸出拱肋形成大耳板拱吊桿叉耳集中錨固。拱腳節點中，設置豎向及水平大承壓板，主副拱分別截斷焊接于兩塊大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，水平承壓板下部設置反力架，提供良好的傳力及抗震作用。圖3為橫斷面布置形式。

圖3　橫斷面布置形式（單位：m）

該橋鋼橋面采用的鋪裝體系為40 mm環氧瀝青混凝土（下面層）+40 mm SMA（上面層）。下面層采用環氧瀝青混凝土主要優點體現在：強度高；高溫時抗流塑和永久變形能力很強，低溫抗裂性能很好；具有極好的抗疲勞性能；具有高度的抵抗化學物質侵蝕的能力。上面層采用SMA主要優點體現在：較好的耐磨性及抗滑性，經濟性和施工便利性。主橋標準橫斷面布置形式如圖4所示。

圖4　主橋標準橫斷面布置（單位：m）

3　施工方案簡述

根據大同地區現狀及橋位處河床現狀為干枯河道的特點，施工方案的制定原則為：充分利用現狀河床干枯的條件，采用搭設少支架架設鋼梁，先梁后拱，梁上搭設臨時支墩采用汽車吊吊裝拱肋節段焊接成型的施工方案，結合該主橋的關鍵節點結構特點并考慮運輸及吊裝能力，適當控制構件的規模、重量。

4　結構計算

4.1主要技術參數

4.1.1設計標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計車速：50 km/h。

（3）設計荷載：汽車荷載：城-A級；人群荷載按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）第10.0.5條規定選用。

（4）設計基準期：100 a。

（5）結構安全等級：一級。

（6）地震基本烈度：7度，地震動峰值加速度0.15 g，設計特征周期0.35 s；橋梁抗震設防分類為丙類。

4.1.2主要設計荷載

（1）恒載：鋼梁容重按78.5 kN/m3考慮，部分加勁肋及橫隔板重量按荷載形式考慮；二期附屬結構自重以荷載形式考慮。

（2）活載：汽車荷載按城-A級，8車道，人群及非機動車荷載取2.55 kN/m2。

（3）溫度荷載：體系升溫30℃，體系降溫-30℃；梯度溫度按英國《鋼橋、混凝土橋及結合橋》（BS5400）取值［2］。

（4）靜風荷載：按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）取用，設計基準風速計算成橋按100 a一遇計，參與汽車荷載組合。

（5）沉降：各墩按2 cm沉降計。

4.2整體靜力計算

4.2.1計算模型

主橋縱向整體靜力計算采用Midas Civil 2013（V8.0.5），模型采用梁單元與板單元混合建模，將全橋離散為有限元模型：縱向邊箱采用閉口箱梁梁單元模型；橫梁采用工字型梁單元；橋面板為考慮U肋剛度的板單元；拱肋采用閉口六邊形梁單元，吊桿采用桁架單元。模型邊界條件處理：由于主墩P10墩臺剛度較大，在靜力計算中假定為偏安全的固結約束，對其他支座只設置豎向約束。計算結構模型見圖5。

圖5　結構計算模型

4.2.2計算結果

依據規范［3］要求考慮組合I及組合II。組合I:恒載+汽車+人群；組合II：恒載+汽車+人群+溫度荷載+風荷載+沉降。經計算，各構件最大應力見表1。

表1　桿件最大應力匯總表　MPa

依據規范《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）的規定：在組合I下，Q345的彎曲容許應力為210 MPa，容許剪應力為120 MPa，容許換算應力為230 MPa；組合II下鋼材強度放大1.25倍。可知，主梁及拱肋應力均滿足規范要求。

4.2.3橫梁計算結果

橋面系鋼橫梁計算采用橋梁博士V3.2.0進行，驗算間距3 m的工字橫梁，取拉索兩端為約束點，將橫梁簡化為簡支梁。橫梁跨中梁高為2.5 m，底板厚度為36 mm。經計算，橫梁下緣最大應力為170 MPa＜210 MPa，滿足規范要求。

4.2.4穩定計算結果

拱肋為壓彎構件，應計算桿件整體穩定。計算中考慮恒載、汽車及人群荷載、橫向水平風荷載的作用。經計算，拱肋一階失穩形態見圖6，為主拱拱肋自由段面外失穩為主，穩定系數為9.1，滿足規范安全系數為4.0的要求。

圖6　拱肋一階失穩形態

該橋拱肋為直線三角形空間結構，主拱橋面以上高度54.8 m，內傾至拱頂通過橫撐相互連接，既美觀，又有效提高了拱肋穩定性。

5　結語

本文介紹了一座主跨為130 m空間三角形拱橋的結構設計。通過合理選擇結構體系，布置結構橫斷面形式，結構傳力更為明確，構造更為合理。通過對橋梁結構的全橋靜力及穩定性分析，表明在各個施工階段和運營階段下，該橋各個構件的受力均滿足相應的規范要求。

［1］吳沖.現代鋼橋（上）［M］.北京：人民交通出版社，2006.［2］BS 5400，鋼橋、混凝土橋及結合橋［S］.

［3］JTJ 025—86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范［S］.

U442

B

1009-7716（2016）06-0076-03

2016-01-08

吳用賢（1983-），男，上海人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。