30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋設計

曹海順

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200437）

30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋設計

曹海順

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200437）

山東省壽光市金光街彌河大橋主橋為30 m+130 m+30 m混合拱肋飛燕式拱橋,是三跨連續鋼箱梁與中承式拱的組合體系,三角區設裝飾桁架,平面設環狀人行橋,造型獨特。主橋采用平行雙肋,主拱為懸鏈線鋼混混合拱肋,邊拱為斜直線混凝土拱肋,截面均為六邊形箱,拱肋間在橋面以上不設橫撐。主梁為單箱多室鋼箱梁,吊索區標準節段長7.5 m。吊桿采用環氧噴涂鋼絲拉索。沿拱肋縱向布設鋼絞線水平拉索。主墩承臺上設拱座和立柱,邊墩為柱式,基礎采用鉆孔灌注樁群樁。采用MIDAS Civil軟件進行靜力、動力及穩定分析可知,結構的強度、剛度和穩定性均滿足規范要求。梁拱均采用支架施工。

中承式拱橋；混合拱肋；組合體系；橋梁設計；分析

1 工程概況

金光街跨彌河大橋位于山東省壽光市,是溝通東城新區和中心城區的重要節點橋梁；橋位處于彌河生態園區內,東岸規劃為農業生態園,西岸為皮劃艇俱樂部。大橋的建設具有極為重要的交通和景觀功能。

彌河是壽光境內最大的河流,現狀為季節性河流,大部分時間干涸。橋位附近地形平坦,屬沖擊平原區。地層除表層填土外,其下為第四紀沖積成因土層。在勘察深度范圍內,地層由素填土、粘土、粉土、粉砂、中粗砂層等組成。

大橋由主橋、引橋及人行橋組成,主橋為30 m+ 130 m+30 m中承式混合拱肋拱橋（飛燕拱）,橋面以上不設橫撐,主墩三角區設置鋼結構裝飾桁架；引橋采用預應力混凝土等高連續梁；人行橋是本橋在景觀上的一個亮點,為空間曲線線型和大挑臂構造,在主跨范圍內其與主橋鋼箱梁結合成一體,平面為橢圓形環道,兩側邊跨為獨立體系。主橋總體及橫斷面布置見圖1、圖2。

2 主要技術標準

（1）道路等級:城市主干路,設計車速60 km／h。

（2）設計荷載[1]:汽車荷載城—A級；人群及非機動車道荷載取用2.5 kPa。

（3）航道標準:不通航；但需滿足皮劃艇比賽要求,河道中心54 m范圍內為皮劃艇賽道,兩側各設20 m安全距離,凈空要求為常水位以上3 m。

（4）抗震設防標準:地震動峰值加速度0.15 g（基本烈度7度）,抗震設防類別丙類,抗震設防措施8度,抗震設計方法A類。

（5）橋面坡度:豎曲線在主橋范圍內以橋梁中心線東西側對稱,最大縱坡1.65%,設R=4 000 m豎曲線；車行道橫坡采用±2.0%,人行道及非機動車道采用反向1.5%。

（6）標準橫斷面寬度32.5 m（不含兩側吊索區）:4.0 m（人、非混行道）+0.5 m（護欄）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（中分帶）+11.5 m（機動車道）+ 0.5 m（護欄）+4.0 m（人、非混行道）。

3 結構體系構思

中承式拱橋在我國已經建成多座,分有推力拱和無推力拱（飛燕式）,拱肋以鋼管混凝土和鋼箱為多。中承式拱橋一般在橋面系與拱肋的相交處設有固定橫梁,兩端的橋面板通過支座擱置在固定橫梁上,拱肋與橋面的相交處設置一道伸縮縫。

中承式拱橋的體系構思,比較獨特的有重慶菜園壩長江大橋[1]。外形與常規中承式拱橋類似,實際主體結構由3個子結構組成（一對Y型墩剛構和一座鋼箱提籃拱）。子結構通過系桿連接成主跨420 m中承式剛構、鋼箱系桿拱組合體系,主梁為5跨連續鋼桁梁,僅在主、引橋相接處設置縱向伸縮縫。

圖1 主橋總體布置圖（單位:mm）

圖2 主橋主跨跨中橫斷面圖（單位:mm）

受其啟發,彌河大橋在體系構思時采用了30 m+130 m+30 m三跨連續鋼箱梁、中承式拱組合體系。

在橋型方案設計時,從景觀考慮主跨橋面以上不設橫撐（為敞口拱）、兩榀拱肋設置在人行道外側,為提高主橋的整體穩定性能、減輕自重以控制吊點橫梁梁高,主梁采用鋼箱梁。主跨吊桿橫向間距大于32.5 m,主梁梁高由橫向控制,取用2.2 m,一般而言主梁縱向可允許約45 m的跨度,因此設計上取消了邊跨的拱上立柱,將主梁擱置在邊拱肋間的橫梁上；由于人行橋在拱梁相交處下穿,而主橋標高受道路縱坡限制,拱肋間無法設置強大的橫梁以擱置主梁,在主墩承臺上設立柱以支承主梁；主跨的跨中區域主梁由吊桿支撐,荷載由吊桿傳遞給主拱,形成拱梁組合體系。

彌河大橋由于交通組織要求引橋與兩岸大堤平交,為減小引橋段橋梁縱坡需控制橋面標高,主橋邊跨橋面距水面高度較小,考慮景觀要求、減小拱肋阻水面積,邊跨飛燕不宜做長,跨徑采用30 m,拱段采用斜直線。為簡化結構受力及構造設計,主墩三角區的上弦桿及豎桿設計為裝飾結構。

4 主橋主要結構設計

4.1 主跨拱肋

采用中承式雙肋無鉸平行拱,計算跨徑130 m,矢高35 m,矢跨比1/3.714。為減小主拱的拱腳負彎矩,其拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數取1.756。拱軸線采用拋物線或各種拱軸系數的懸鏈線時,恒載狀態主跨拱肋彎矩的比較見表1。

表1 主跨拱肋彎矩比較表 x103kN·m

主拱肋為鋼混混合結構,其中兩側各15 m（水平投影長度）為C50混凝土結構,跨中段為Q345qE鋼結構,拱肋外形呈六邊形。鋼拱肋為等截面,高2.8 m,寬3.7 m；截面板件厚25 mm,頂底板及腹板設板式加勁肋；箱內設橫隔板,在吊桿位置為豎向,其余沿拱軸線法向布置,間距約2 m,在吊桿附近用半框架隔板加密。混凝土拱肋為變截面,高2.8～3.8 m,寬3.7 m,標準段壁厚60 cm,拱腳及結合段壁厚加厚至90 cm。主跨拱肋橫斷面見圖3。鋼混結合段采用前后承壓板的型式,承壓板厚30 mm,結合段內設置焊釘、開孔鋼板剪力鍵及預應力鋼絞線以增強鋼與混凝土的結合。混凝土拱肋內布置預應力鋼絞線,以提高拱腳段的抗裂性能,分別錨固在混凝土拱座和鋼梁后承壓板上。

圖3 主跨拱肋橫斷面（單位:mm）

橋面以下兩主拱肋之間設置1道“K”形橫撐,鋼筋混凝土結構,箱型截面。

4.2 邊跨拱肋

邊拱肋為斜直線平行雙肋,計算跨徑30 m,矢高10 m。為使水平力傳遞平順,將邊拱肋軸線與主拱肋軸線在拱座內交于一點。每肋為C50預應力混凝土六邊形箱變截面,高2.8～3.8 m,寬3.7 m；標準段壁厚60 cm,靠近拱頂及拱腳設倒角過渡。邊拱肋在近邊墩區域加高,以滿足系桿錨固要求。

邊拱肋之間設置端橫梁,為預應力混凝土結構,截面呈箱型,橋梁中線處高2.63 m,寬3.6 m,頂底板厚35 cm,前后腹板厚95 cm。端橫梁頂面設2%雙向橫坡,為主橋主梁、引橋箱梁提供支撐；底面水平,支撐在邊墩的4個立柱上。

4.3 主梁

主梁為三跨連續等高度鋼箱結構,主體結構板材為Q345qE鋼。吊索區標準節段長7.5 m,寬36.97 m,吊桿錨點橫向間距約33.4 m,錨點間為單箱6室截面,每室寬約5.5 m,斜拉索外側為裝飾箱,并作為系桿支架的支撐平臺。箱梁頂、底面均設2%雙向橫坡,梁高2.2 m。

標準段鋼梁頂板厚16 mm,采用U形閉口加勁肋,高280 mm、標準間距600 mm；底板厚16 mm,采用U形閉口加勁肋,高250 mm、標準間距800 mm。鋼箱梁在支承區域,頂底板均作加厚處理,板厚均為20 mm,不同厚度的板間拼接處設單邊1∶8斜坡。箱梁縱向共設7道腹板:除吊索區與鋼錨箱焊接的邊腹板厚度為30 mm外,其余腹板厚一般為12 mm,腹板均設一字加勁肋。

7.5 m標準梁段上設置1道吊點橫隔板、2道普通橫隔板,橫隔板間距2.5 m。吊點橫隔板采用實腹式,板厚16 mm,板上預留過人孔；普通橫隔板為框架式,板厚12 mm。鋼梁縱向在主墩處設中橫梁,在邊支點設端橫梁,頂底板均加厚至20 mm。端橫梁在車行道范圍的箱梁頂部預留槽口,以埋設伸縮縫。鋼箱梁標準段橫斷面見圖4。

圖4 鋼箱梁橫斷面（單位:mm）

4.4 人行道、人行橋

大橋人行系統包括人行道和人行橋兩部分。主橋橋面兩側各設4 m寬人非混行道,全長設置。人行橋標準寬度2.7 m,行人通過位于主跨跨中的連廊上人行橋,經設置于主梁外側挑梁、梁下吊桿及立柱上的斜坡道抵達生態園區。人行橋挑梁間距7.5 m,縱向以Φ800 mm鋼管串聯,通過斜吊桿與主拱肋連接。人行橋與主體結構的連接為栓焊組合式,栓接部分設計為可拆卸。

4.5 吊桿

分為懸吊主橋箱梁的主吊桿和懸吊人行橋挑梁的副吊桿,縱向間距均為7.5 m,主吊桿13對,副吊桿11對。吊桿均采用環氧噴涂鋼絲拉索體系,標準強度1 670 MPa,采用雙層PE防護,安全系數大于2.5。

副吊桿采用19絲φ5 mm平行鋼絲索,兩端均采用熱鑄錨（叉耳）,上端錨固于拱肋底板下方的耳板,下端錨固于人行橋挑梁的耳板,在挑梁端張拉。

4.6 系桿

為平衡中跨拱肋的水平推力,在主橋兩端橫梁之間布設水平拉索。每榀拱肋設6束,按上下兩層布置。每束拉索由19φs15.2環氧噴涂鋼絞線組成,標準強度1 860 MPa,采用夾片錨具,雙層PE防護。系桿布置在人行道外側、主梁裝飾箱上方,在主梁與拱肋相交處設系桿盒穿過,在邊跨拱肋實體段內設預埋管穿過,并逐漸散開錨固于邊拱肋端部。

4.7 裝飾桁架

從主橋立面景觀考慮,將主墩三角區設計成桁架外形。上弦桿立面呈凹型曲線,一端與邊拱拱頂連接,一端與主跨拱肋近似相切,下弦桿即為三角區內的主拱肋及邊拱肋,上下弦桿以豎腹桿相連,間距2 m。為簡化三角區桁架的結構設計,通過調整施工工序減小上弦桿、豎腹桿受力,將其設計為裝飾桿件。

上弦桿為六邊形箱等截面,寬1.8 m,高1.5 m。截面板件厚16 mm,設板式加勁肋；豎腹桿為矩形箱截面,40 cm（短邊）×80 cm（長邊）,腹桿高1.6～12.1 m。

4.8 下部結構

5 結構分析計算

5.1 靜力分析

利用有限元程序建立空間模型:主梁用梁單元建立等效梁格,拱肋、人行橋挑梁、裝飾桁架等用梁單元建模,吊桿用桿單元建模,系桿用體外預應力模擬,主墩基礎考慮樁—土相互作用影響,樁基用六個自由度的彈簧模擬。主體結構模型見圖5。

圖5 靜力計算模型

計算時模擬主橋上部結構采用少支架施工、裝飾桁架及部分人行橋結構在主體結構形成后再安裝的施工工序,并對成橋運營階段的使用荷載進行計算,計入恒載、活載、整體升降溫、體系溫差、橫向靜風荷載等的作用。

鋼梁、鋼拱肋按公路鋼結構規范[3]驗算,鋼梁最大正應力70 MPa（跨中）～115 MPa（支點）,鋼拱肋最大正應力153 MPa,承載能力和疲勞驗算滿足。混凝土拱肋及橫撐等按公路混凝土規范[4]驗算,承載能力及使用狀態均滿足。

主梁在移動荷載作用下的最大豎向撓度為32 mm＜L/800=162 mm（L為主跨跨徑）,結構整體剛度滿足規范[5]。

5.2 穩定分析

主橋主跨橋面以上不設橫撐,對主橋的整體穩定性不利,需要建立空間分析模型進行驗證。模型采用空間梁格,考慮恒載初始內力的影響,以恒載、活載（汽車+人群）及風荷載為可變荷載,進行線性屈曲分析。由表2可知,最小一階穩定系數為9.54,呈拱肋側傾失穩,結構整體穩定滿足。

表2 結構曲屈系數及曲屈模態

以靜力分析模型為基礎,同時考慮支座、邊墩等下部結構和基礎的影響,采用反應譜法進行抗震分析,自振特性結果見表3。

表3 結構自振頻率及振型特性

地震分析表明,上部結構的梁、拱不受地震作用控制。在E2地震作用下,固定支座的水平抗力不足,主墩立柱和承臺受力較大。通過在梁底布置彈塑性鋼阻尼支座,以延長結構自振周期、減小地震力的影響。

6 施工方法

按常規方法施工樁基、承臺及立柱等。梁拱均采用支架施工:混凝土拱肋采用支架現澆,鋼梁、鋼拱肋采用工廠分塊制作、在工地的梁柱式支架上安裝。從以下方面優化施工工序,以使結構受力更優:（1）合理安排鋼梁外側裝飾邊箱、拱肋三角區的裝飾桁架及人行橋構件的安裝時機；（2）分批張拉混凝土拱肋及橫梁內的鋼束。

7 結語

彌河大橋為了實現交通和景觀的雙重功能,巧妙構思了三跨連續梁、中承式拱的組合結構體系,拓展了中承式拱橋的布置。通過優選拱軸線型減小了拱腳的負彎矩；在主梁梁底布置減隔震支座,改善了結構的抗震性能；在主墩三角區設計裝飾桁架、主梁設外挑人行步道,豐富了橋梁的景觀效應。

該橋的建成必將成為壽光市新的城市景觀。

[1]CJJ 11-2011,城市橋梁設計規范[S].

[2]劉孝輝.重慶菜園壩長江大橋設計方案研究[J].公路交通技術, 2004(2):33-36.

[3]JTG D64-2015,公路鋼結構橋梁設計規范[S].

[4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[5]JTG/T D65-06 2015,公路鋼管混凝土拱橋設計規范[S].

U448.22

B

1009-7716（2017）07-0060-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.018

2017-03-26

曹海順（1978-）,男,江西東鄉人,高級工程師,從事橋梁設計工作。