南屏大橋雙層鋼桁拱橋設(shè)計(jì)探討

郭繼業(yè)，杜建成，高康平

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠 海 5 19000）

南屏大橋雙層鋼桁拱橋設(shè)計(jì)探討

郭繼業(yè)，杜建成，高康平

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠 海 5 19000）

結(jié)合南屏大橋設(shè)計(jì)，對雙層鋼桁拱橋桁架型式選擇、邊中榀尺寸擬定與內(nèi)力調(diào)整、吊桿抗風(fēng)進(jìn)行了探討。

雙層橋面；鋼桁拱橋；桁架型式；內(nèi)力調(diào)整；吊桿抗風(fēng)

0 引 言

金琴高速公路南屏大橋位于珠海市主城區(qū)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?yàn)?8 m+120 m+ 48 m雙層鋼桁拱橋（見圖1和圖2），設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。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(lián)采用V形布置；在過渡墩頂、主墩頂?shù)臋M梁與豎桿間設(shè)置簡易橋門架；全橋共設(shè)置5道一字形風(fēng)撐將邊、中榀連為整體；所有桿件內(nèi)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(qiáng)螺栓連接。

（3）下部結(jié)構(gòu)。主墩為三柱實(shí)心墩，過渡墩為三柱雙層框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)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(shè)臨時墩懸臂拼裝中跨主梁，然后在主梁上搭設(shè)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(shè)計(jì)時對這兩種桁架型式進(jìn)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(fù)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(wěn)定控制設(shè)計(jì)，需采用箱形截面，增加了拼接難度。

大多數(shù)現(xiàn)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(nèi)力調(diào)整

本橋橫橋向設(shè)三榀桁架，中榀受力比邊榀大，設(shè)計(jì)時考慮了兩種方案。方案一：邊、中榀桿件采用相同的內(nèi)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(nèi)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(diào)整邊、中榀內(nèi)力。

從圖7～圖14可以看出：方案一邊、中榀拱肋和弦桿應(yīng)力比較接近（負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)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(yīng)力相差較大），桿件應(yīng)力均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；方案二抽掉墊塊后，部分荷載由中榀轉(zhuǎn)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(diǎn)處受力較大，構(gòu)造復(fù)雜，頂升施工難度較大，且橫梁次內(nèi)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(yīng)力圖（單位：MPa）

圖8 方案一恒載+活載作用下1/2邊榀最小應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖9 方案一恒載+活載作用下1/2中榀最大應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10 方案一恒載+活載作用下1/2中榀最小應(yīng)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(fēng)設(shè)計(jì)

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(jìn)行控制或加固，隨著對其振動機(jī)理的深入研究，現(xiàn)在可以從技術(shù)層面解決吊桿的渦激振動問題，即在施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行吊桿的截面和開孔率設(shè)計(jì)。

本橋采用H形鋼吊桿，最初截面尺寸為同一種規(guī)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(guān)于跨中對稱線對稱）沿順橋向有發(fā)生渦激共振的可能[2]。根據(jù)渦激振動的機(jī)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(fēng)洞試驗(yàn)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(fā)生了嚴(yán)重的風(fēng)致振動[4]，本橋采用“吊桿腹板不開孔，對其截面尺寸進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化”的設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)H形鋼桁拱橋吊桿滿足λl=（6 091～10 151）且橋址處的風(fēng)環(huán)境滿足3×102≤Re≤3.5× 106時，吊桿有發(fā)生渦激共振的可能[5]。經(jīng)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(diào)整后其雷諾數(shù)Re和特征振動因子λl見表1。從表1可以看出，調(diào)整吊桿截面尺寸后，可以避免其發(fā)生渦激共振。

表1 吊桿的雷諾數(shù)Re和特征振動因子λl

4 結(jié)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(wěn)定控制設(shè)計(jì)，需采用箱形截面，拼接難度較大。大多數(shù)現(xiàn)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(shè)三榀桁架，中榀受力比邊榀大，預(yù)先墊高中榀，合攏后抽掉墊塊，內(nèi)力重新分配，中榀桿件內(nèi)力明顯減小，但橫梁次內(nèi)力和施工難度較大。設(shè)計(jì)最終采用邊、中榀桿件內(nèi)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(yīng)力基本接近。

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

[1]同濟(jì)大學(xué)鋼與輕型結(jié)構(gòu)研究室，鋼橋與組合結(jié)構(gòu)橋梁研究室，譯.美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊（下冊）：鋼橋部分[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007．

[2]李龍安，苗潤池.珠海南屏大橋主橋吊桿風(fēng)致振動分析報(bào)告[R].武漢：中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(fēng)洞試驗(yàn)[J].中國鐵道科學(xué)，2005，26(4)：42-46．

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

[5]高宗余，李龍安，方秦漢，衛(wèi)軍.鋼桁拱橋吊桿風(fēng)致振動研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)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(yè)（1979-），男，湖北天門人，高級工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。