一座密布橫梁鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)與分析

金叔陽(yáng)

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

一座密布橫梁鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)與分析

金叔陽(yáng)

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

泰興市文江大橋主橋采用40m鋼桁梁，橋位處邊界條件復(fù)雜，限制因素多。結(jié)合文江大橋設(shè)計(jì)全過(guò)程，主要介紹了總體設(shè)計(jì)思路及橋梁關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)分析，總結(jié)了該橋型用于丁字交叉口改造（跨越河道）工程的優(yōu)勢(shì)，可供類似工程參考。

鋼桁梁橋；密布橫梁；限制梁高設(shè)計(jì)；丁字交叉口改造

1　工程概況

該工程為文江大橋，位于江蘇省泰興市如泰運(yùn)河上，為新建城市主干道文江北路的重要部分，是泰興市區(qū)東部新建的過(guò)河通道。該工程起點(diǎn)與現(xiàn)狀大慶路平交，并要求對(duì)平交口按規(guī)劃進(jìn)行改造，往北跨越如泰運(yùn)河。橋梁跨徑組合為25.49 m+ 40 m+25.49 m，其中主橋?yàn)?0 m鋼桁梁橋，引橋?yàn)楹?jiǎn)支小箱梁結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1、圖2。

該橋的設(shè)計(jì)，不僅滿足了橋下通航凈空與交叉口最大縱坡限值的要求，也極大限度地減少了對(duì)既有交叉口的改造，同時(shí)跨越橋梁也擁有了一定的景觀性。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：主干路。

（2）設(shè)計(jì)行車速度：50 km/h。

（3）荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車荷載：城-A級(jí)；人群荷載：按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11-2011）取值。

（4）通航要求：按六級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)控制，通航凈高不小于4.5 m，凈寬不小于22 m。

（5）抗震要求：抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值：0.05 g；抗震措施：7度。

（6）橋梁橫斷面布置：

0.3m（人行道欄桿）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道欄桿）+6 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（機(jī)非分隔帶）+15.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（機(jī)非分隔帶）+6 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.3 m（人行道欄桿）+4.9 m（人行道）+0.3 m（人行道欄桿）=42.0 m。

（7）縱坡布置：2.5%，豎曲線半徑2 000 m，按照主橋跨中對(duì)稱布置。

（8）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

3　橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1橋梁總體布置

該橋跨徑組合為25.49 m+40 m+25.49 m，總長(zhǎng)為90.98 m，橋梁寬度為42 m。橋梁與河道斜交，斜交角為4.215°，采用“斜橋正做”方式進(jìn)行布置。主橋?yàn)橄鲁惺戒撹炝簶颍?jì)算跨徑為40 m；兩側(cè)引橋各為25 m的簡(jiǎn)支小箱梁結(jié)構(gòu)。在保證通航凈空的前提下，該橋型的選擇使得橋梁結(jié)構(gòu)高度得到有效降低，從而減少交叉口改造影響。

3.2主橋上部結(jié)構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁梁，計(jì)算跨徑為40 m，桁高6.5 m。橫向采用四榀式桁架，行車道兩榀主桁架設(shè)置在機(jī)非分隔帶內(nèi)，主桁中心距為17 m；兩榀副桁架設(shè)置在人行道與非機(jī)動(dòng)車道之間，副桁架與主桁架中心距為7.59 m。機(jī)動(dòng)車道橋面系采用倒T橫梁、倒T型縱向加勁肋、三道倒T縱梁組成的正交異性板。

主副桁架均采用三角形桁架，節(jié)間長(zhǎng)度按5m設(shè)計(jì)。上弦桿采用500 mm×570 mm的箱型截面，下弦桿采用500 mm×680 mm的箱型截面，腹桿采用470 mm×570 mm×12 mm×25 mm的工字型截面，傾角為51.91°。為使整體橋梁外形美觀，端部斜腹桿選擇與弦桿同寬的箱型截面。

機(jī)動(dòng)車道橫梁為了適應(yīng)橫坡的變化，選用變高倒T型截面，梁高644～765 mm；非機(jī)動(dòng)車道橫梁亦選用變高倒T型截面，梁高540～644 mm；人行道橫梁按懸臂梁設(shè)計(jì)，根部梁高為540 mm。順橋向橫梁間距均為2.5 m，橫梁與下弦桿全熔透焊接。

圖1　橋型總體布置圖（單位：m）

圖2　標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：m）

機(jī)動(dòng)車道橋面板選用16 mm厚的Q345D鋼板，與下弦桿全熔透焊接；橋面系設(shè)置三道倒T縱梁；縱向加勁肋選用倒T截面，橫橋向間距按300 mm控制。由于橫梁為主要受力構(gòu)件，縱梁、縱向加勁肋遇橫梁斷開(kāi)，并與橫梁全熔透焊接，盡可能避免縱肋底緣焊縫開(kāi)裂[2]。

3.3引橋上部結(jié)構(gòu)

引橋采用25 m跨徑小箱梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)分三幅設(shè)計(jì)。人行道與非機(jī)動(dòng)車道按一幅設(shè)計(jì)，由4片小箱梁組成；機(jī)動(dòng)車道按一幅設(shè)計(jì)，由5片小箱梁組成。

3.4下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主墩采用高樁承臺(tái)柱式墩，以降低施工難度，同時(shí)起到保護(hù)墩柱、樁基防撞的作用。蓋梁設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土構(gòu)件，高低蓋梁結(jié)構(gòu)；墩柱直徑為1.5 m，樁基直徑為1.2 m，選擇中砂層作為樁尖持力層。

橋臺(tái)采用扶壁式橋臺(tái)，梅花樁布置。樁基直徑為1.0 m，選擇細(xì)砂作為樁尖持力層。臺(tái)后搭板長(zhǎng)8 m。

4　關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

4.1限制梁高設(shè)計(jì)

橋位附近為現(xiàn)狀沿河丁字交叉口，距離現(xiàn)狀如泰運(yùn)河航道中心線僅約107 m，橋梁設(shè)計(jì)需滿足六級(jí)通航凈空的要求。

另外，附近民用商鋪建筑較多，且建筑首層地面僅高出現(xiàn)狀道路路面約10～20 cm。因此，本工程總體方案，需對(duì)交叉口改造進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在滿足道路線形及交叉口交通安全的基礎(chǔ)上，減少交叉口改造的工程量，將交叉口改造對(duì)周邊商鋪的影響降到最低，減少工程實(shí)施的社會(huì)影響。

經(jīng)過(guò)綜合比選，本橋采用下承式鋼桁梁橋方案，同時(shí)利用密布橫梁體系降低橫梁梁高[1]。根據(jù)計(jì)算比較及分析，機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道橫梁梁高均設(shè)計(jì)較矮，由此保證了主橋結(jié)構(gòu)底緣線距離通航凈空控制邊線約20 cm的安全高度。

另外，鋼桁梁在工廠加工制造，與橋梁下部結(jié)構(gòu)同步實(shí)施，施工進(jìn)度大大加快。本橋下部結(jié)構(gòu)施工完畢后，利用浮吊將工廠預(yù)制好的單片桁架吊裝到位，之后拼裝焊接橫梁、橋面板、橫撐等構(gòu)件，完成主橋主體結(jié)構(gòu)施工。該施工方案對(duì)河道通航影響較小。

4.2總體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

整體計(jì)算采用MIDAS CIVIL 2013軟件計(jì)算，全橋采用梁、薄板單元，建立三維空間有限元模型。其中主副桁架、端橫梁、內(nèi)橫梁、三道縱梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面板采用薄板單元模擬。全橋共有1 481個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 044個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧?28個(gè)，薄板單元1 216個(gè)。荷載考慮了自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、梯度溫度、整體溫差、基礎(chǔ)變位。全橋計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3　全橋三維模型

主要計(jì)算結(jié)果如下：

（1）主、副桁架上弦桿最大壓應(yīng)力為158 MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力；主桁架下弦桿最大拉應(yīng)力為72 MPa，最大壓應(yīng)力為78 MPa；副桁架下弦桿最大拉應(yīng)力為102 MPa，最大壓應(yīng)力為80 MPa。

（2）腹桿最大拉應(yīng)力為115 MPa，最大壓應(yīng)力為139 MPa。

（3）機(jī)動(dòng)車道內(nèi)橫梁最大拉應(yīng)力為122 MPa，最大壓應(yīng)力為154 MPa；三道縱梁最大拉應(yīng)力為97 MPa，最大壓應(yīng)力為31 MPa；橋面板最大拉應(yīng)力為87 MPa，最大應(yīng)力幅為31 MPa，滿足要求。機(jī)動(dòng)車道內(nèi)橫梁在活載作用下豎向撓度為14.5 mm＜L/600=17 000/600=28.3 mm，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025-86）的要求，但需設(shè)置橫向預(yù)拱度。

（4）非機(jī)動(dòng)車道內(nèi)橫梁最大拉應(yīng)力為78 MPa，最大壓應(yīng)力為97 MPa；人行道橫梁最大拉應(yīng)力為59 MPa，最大壓應(yīng)力為101 MPa；端橫梁最大拉應(yīng)力為128 MPa，最大壓應(yīng)力為162 MPa。

（5）本橋一階失穩(wěn)模態(tài)為上弦桿順橋向豎彎，臨界荷載特征值系數(shù)為20.3，滿足使用要求。

以上結(jié)果表明，本鋼桁架橋各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。

4.3橋面系三道縱梁對(duì)整體受力的作用

設(shè)計(jì)過(guò)程中分析發(fā)現(xiàn)，由于橫梁較矮，橋面較寬，承受較大荷載，因此需要加設(shè)橋面系縱梁，以增強(qiáng)橫梁之間的受力協(xié)同性，保證結(jié)構(gòu)的安全與受力合理[3]。現(xiàn)將是否設(shè)置橫梁進(jìn)行分別建模計(jì)算，并進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1　縱梁設(shè)置各相關(guān)構(gòu)件應(yīng)力比較表

通過(guò)表1比較可知，對(duì)于橋面較寬的鋼結(jié)構(gòu)橋面系，設(shè)置適當(dāng)?shù)目v梁，有利于增強(qiáng)橫梁的受力協(xié)同性，使得橫梁受力更為均勻，可以有效達(dá)到通過(guò)橫梁傳遞橋面系荷載的作用；且對(duì)端橫梁受力影響較小。

5　結(jié)　語(yǔ)

（1）本文針對(duì)沿河丁字交叉口改造（跨越河道）工程，提出利用密布橫梁的鋼桁梁橋方案。該方案擁有以下優(yōu)勢(shì)：保證橋下通航凈空的前提下，交叉口縱斷面設(shè)計(jì)能夠較好滿足行車安全的要求；有效減少對(duì)既有交叉口的改造工程量，從而降低工程實(shí)施對(duì)既有道路兩側(cè)居民和商戶的影響；鋼桁梁橋本身具有較好的景觀性；施工進(jìn)度快，對(duì)河道通航影響小。

（2）對(duì)于矮橫梁正交異性板體系，通過(guò)設(shè)置一定數(shù)量的橋面系縱梁，可以有效增強(qiáng)橫梁受力的協(xié)同性，從而使橫梁受力更為均勻，保證橋面系荷載傳遞的有效性。

[1]聶建國(guó).鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]項(xiàng)海帆,等.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]張敏,葉梅新,張曄芝.密布橫梁正交異性板整體橋面受力行為[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2010(31):28-33.

U448.21+1

B

1009-7716（2016）03-0065-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.019

2015-11-06

金叔陽(yáng)（1986-），男，浙江義烏人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。