南屏大橋雙層鋼桁拱橋設計探討

郭繼業，杜建成，高康平

（珠海市規劃設計研究院，廣東 珠 海 5 19000）

南屏大橋雙層鋼桁拱橋設計探討

郭繼業，杜建成，高康平

（珠海市規劃設計研究院，廣東 珠 海 5 19000）

結合南屏大橋設計，對雙層鋼桁拱橋桁架型式選擇、邊中榀尺寸擬定與內力調整、吊桿抗風進行了探討。

雙層橋面；鋼桁拱橋；桁架型式；內力調整；吊桿抗風

0 引 言

金琴高速公路南屏大橋位于珠海市主城區西部，連接前山和南屏，跨越前山河，上層橋面為高速公路，下層橋面為市政道路，主橋為48 m+120 m+ 48 m雙層鋼桁拱橋（見圖1和圖2），設計要點如下：

圖1 南屏大橋主橋立面圖（單位：cm）

圖2 南屏大橋主橋橫斷面圖（單位：cm）

（1）設計荷載。上層橋面為公路-Ⅰ級，下層橋面為城-A級，人群3.5 kN/m2。

（2）上部結構。鋼箱拱跨度120 m，矢高34 m，矢跨比1/3.529，拱軸線采用二次拋物線；拱肋和弦桿為箱形截面；腹桿大部分采用H形截面，少部分受拉較大的腹桿采用王字形截面，個別受壓較大的腹桿采用箱形截面；吊桿采用H形截面；橋面系由箱形鋼橫梁、工字形鋼縱梁和鋼-混凝土組合PBL板組成；平聯采用V形布置；在過渡墩頂、主墩頂的橫梁與豎桿間設置簡易橋門架；全橋共設置5道一字形風撐將邊、中榀連為整體；所有桿件內表面對齊；除部分拱肋桿件采用熔透焊接外，其余桿件均采用高強螺栓連接。

（3）下部結構。主墩為三柱實心墩，過渡墩為三柱雙層框架結構，基礎采用承臺配鉆孔灌注樁。

（4）施工流程。前山河目前暫不通航，本橋采用先梁后拱的施工方案，即在滿堂支架上安裝邊跨主梁，搭設臨時墩懸臂拼裝中跨主梁，然后在主梁上搭設支架施工拱肋和吊桿。

1 桁架型式選擇

橋梁上常用的桁架型式有Warren桁架（三角形桁架）（見圖3和圖4）和Pratt桁架（斜桿形桁架）（見圖5和圖6），設計時對這兩種桁架型式進行了對比分析，從圖3～圖6可以看出：

圖3 Warren桁架恒載+活載作用下1/2中榀最大軸力圖（單位：kN）

圖4 Warren桁架恒載+活載作用下1/2中榀最小軸力圖（單位：kN）

圖5 Pratt桁架恒載+活載作用下1/2中榀最大軸力圖（單位：kN）

圖6 Pratt桁架恒載+活載作用下1/2中榀最小軸力圖（單位：kN）

（1）兩者拱肋、弦桿和吊桿軸力（負值為壓力，正值為拉力，其他各圖均如此表示）差別不大。

（2）Warren桁架豎桿軸力普遍小于Pratt桁架。

（3）兩者斜桿軸力大小基本接近，Warren桁架斜桿部分為拉桿，部分為壓桿，Pratt桁架斜桿壓桿居多，且部分壓桿（如E3A2、E5A6）軸力較大，壓桿穩定控制設計，需采用箱形截面，增加了拼接難度。

大多數現代橋梁都采用某種型式的Warren桁架[1]，通過以上對比，本橋亦采用Warren桁架。

2 邊、中榀尺寸擬定與內力調整

本橋橫橋向設三榀桁架，中榀受力比邊榀大，設計時考慮了兩種方案。方案一：邊、中榀桿件采用相同的內輪廓尺寸，加大中榀桿件板厚。方案二：邊、中榀桿件采用相同的內輪廓尺寸和板厚，拼裝桿件前將中榀墊高3 cm，全橋合攏后施工二期恒載之前抽掉墊塊，調整邊、中榀內力。

從圖7～圖14可以看出：方案一邊、中榀拱肋和弦桿應力比較接近（負值為壓應力，正值為拉應力，其他各圖均如此表示。受橫向彎矩的影響，邊、中榀斜桿、豎桿和吊桿應力相差較大），桿件應力均小于鋼材強度設計值；方案二抽掉墊塊后，部分荷載由中榀轉移到邊榀，中榀絕大部分桿件軸力明顯減小，邊榀絕大部分桿件軸力明顯增大。考慮到方案二需采用大噸位千斤頂頂升主梁，下弦桿頂點處受力較大，構造復雜，頂升施工難度較大，且橫梁次內力較大，最終采用了方案一。

圖7 方案一恒載+活載作用下1/2邊榀最大應力圖（單位：MPa）

圖8 方案一恒載+活載作用下1/2邊榀最小應力圖（單位：MPa）

圖9 方案一恒載+活載作用下1/2中榀最大應力圖（單位：MPa）

圖10 方案一恒載+活載作用下1/2中榀最小應力圖（單位：MPa）

圖11 方案二抽掉墊塊前恒載作用下1/2邊榀軸力圖（單位：kN）

圖12 方案二抽掉墊塊后恒載作用下1/2邊榀軸力圖（單位：kN）

圖14 方案二抽掉墊塊后恒載作用下1/2中榀軸力圖（單位：kN）

3 吊桿抗風設計

鋼桁拱橋吊桿的渦激振動，是吊桿的常見病害，必須根治，過去主要是在事后進行控制或加固，隨著對其振動機理的深入研究，現在可以從技術層面解決吊桿的渦激振動問題，即在施工圖設計階段進行吊桿的截面和開孔率設計。

本橋采用H形鋼吊桿，最初截面尺寸為同一種規格，即翼緣板為800 mm×24 mm，腹板為1 300 mm× 18 mm，吊桿G7A7（如圖3所示，另一根吊桿與G7A7關于跨中對稱線對稱）沿順橋向有發生渦激共振的可能[2]。根據渦激振動的機理，抑制吊桿渦激振動有兩種途徑，即腹板開孔和改變斷面形狀。風洞試驗研究表明，H形吊桿的腹板開孔能在一定程度上改善其渦激振動特性[3]，但鑒于已建成的類似橋梁雖已在吊桿腹板開孔，但仍然發生了嚴重的風致振動[4]，本橋采用“吊桿腹板不開孔，對其截面尺寸進行適當優化”的設計方案。

當H形鋼桁拱橋吊桿滿足λl=（6 091～10 151）且橋址處的風環境滿足3×102≤Re≤3.5× 106時，吊桿有發生渦激共振的可能[5]。經過多工況比選，將這兩根吊桿翼緣板寬度從800 mm改為700 mm，厚度24 mm保持不變，腹板高度1 300 mm保持不變，厚度從18 mm改為20 mm，調整后其雷諾數Re和特征振動因子λl見表1。從表1可以看出，調整吊桿截面尺寸后，可以避免其發生渦激共振。

表1 吊桿的雷諾數Re和特征振動因子λl

4 結語

（1）Warren桁架和Pratt桁架兩者拱肋、弦桿和吊桿軸力差別不大；Warren桁架豎桿軸力普遍小于Pratt桁架；兩者斜桿軸力大小基本接近，Warren桁架斜桿部分為拉桿部分為壓桿，Pratt桁架斜桿壓桿居多，且部分壓桿軸力較大，壓桿穩定控制設計，需采用箱形截面，拼接難度較大。大多數現代橋梁都采用某種型式的Warren桁架，本橋亦采用Warren桁架。

（2）本橋橫橋向設三榀桁架，中榀受力比邊榀大，預先墊高中榀，合攏后抽掉墊塊，內力重新分配，中榀桿件內力明顯減小，但橫梁次內力和施工難度較大。設計最終采用邊、中榀桿件內輪廓尺寸相同、加大中榀桿件板厚的方案，施工難度較小，邊、中榀拱肋和弦桿應力基本接近。

（3）通過調整吊桿截面尺寸，改變其雷諾數Re和特征振動因子λl，可以避免發生渦激共振。

[1]同濟大學鋼與輕型結構研究室，鋼橋與組合結構橋梁研究室，譯.美國鋼結構設計手冊（下冊）：鋼橋部分[M].上海：同濟大學出版社，2007．

[2]李龍安，苗潤池.珠海南屏大橋主橋吊桿風致振動分析報告[R].武漢：中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，2014．

[3]馬存明，廖海黎，鄭史雄，李佳圣.H型截面吊桿氣動性能的風洞試驗[J].中國鐵道科學，2005，26(4)：42-46．

[4]李龍安.鋼桁拱橋吊桿風致振動影響因素分析 [J].橋梁建設，2008，38（3）：19-22．

[5]高宗余，李龍安，方秦漢，衛軍.鋼桁拱橋吊桿風致振動研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2007，31(2)：281-284.

U448.22

B

1009-7716（2017）01-0065-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.018

2016-10-17

郭繼業（1979-），男，湖北天門人，高級工程師，從事橋梁工程設計工作。