異形鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

2017-09-15 02:50:47黃科榜

城市道橋與防洪 2017年9期

關(guān)鍵詞：橋梁規(guī)范施工

黃科榜

（上海瑞橋土木工程咨詢有限公司，上海市 200092）

異形鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

黃科榜

（上海瑞橋土木工程咨詢有限公司，上海市 200092）

某三跨連續(xù)中承式鋼桁拱橋，跨徑布置為22 m+56 m+22 m。主橋拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)。主橋跨中設(shè)置系梁，主梁由橋面系及橫梁組成，橋面系采用正交異性鋼橋面，主梁、系梁及拱肋固結(jié)連接。橋梁共設(shè)置13對吊桿，扇形布置，吊桿錨固采用耳板的結(jié)構(gòu)形式。主要介紹該橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)及受力計(jì)算分析，該橋造型新穎優(yōu)美，受力及構(gòu)造較為復(fù)雜，可為類似工程提供一定的借鑒。

連續(xù)中承式鋼桁架拱橋；系梁；正交異性鋼橋面；吊桿錨固；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算分析

1 工程概況

本橋位于某市新區(qū)核心地帶，連接河道兩側(cè)的重要區(qū)域，是吸引人流，匯聚人氣的中間地帶，經(jīng)過多輪方案遴選，最終確定三跨連續(xù)中承式鋼桁拱橋?yàn)閷?shí)施方案，橋梁整體效果見圖1。

圖1 橋梁整體效果圖

橋梁以“科技之風(fēng)”為設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)智慧與創(chuàng)新，與科技引智的橋梁意向相統(tǒng)一。橋梁規(guī)模雖然不大，但造型新穎，精致而富有創(chuàng)意。

2 總體布置

橋位處規(guī)劃河道開口寬度約為82.5 m，其中主河道底寬50 m。橋梁為三跨連續(xù)中承式鋼桁拱橋，跨徑布置為22 m+56 m+22 m=100 m，道路標(biāo)準(zhǔn)寬度46 m。

橋梁總體布置見圖2。

圖2 橋梁總體布置圖（單位：m）

橋梁橫斷面自北向南布置依次為：1.8 m（拱索區(qū)）+ 3 m（人行道）+18.5 m（機(jī)動車道）+1.5 m（分隔欄）+18 m（機(jī)動車道）+5 m（人行道）+1.8 m（拱索區(qū)）=49.6 m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)；橋梁跨中設(shè)置系梁，系梁與拱肋進(jìn)行固結(jié)；主梁由橋面系及橫梁組成，主梁、系梁及拱肋固結(jié)連接，中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)下均設(shè)置支座。鋼拱總體布置見圖3。

圖3 鋼拱總體布置圖（單位：mm）

3.1 鋼拱肋設(shè)計(jì)

鋼拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345D。

主橋拱肋內(nèi)傾10°，拱肋包括中拱肋、邊拱肋和副拱肋，中拱肋與副拱肋拱軸線采用樣條曲線，邊拱肋采用圓曲線。在拱肋平面內(nèi)，中拱肋拱軸線矢高15.5 m，橋面以上拱肋高11.05 m，中拱跨徑56.0 m；邊拱肋拱軸線矢高3.4 m，跨徑22.0 m，副拱根據(jù)控制點(diǎn)采用樣條曲線進(jìn)行擬合。

中拱肋截面采用箱形截面，截面高度1.1～1.5 m，寬度1.5 m，板厚18～24 mm，局部加厚至32 mm。副拱采用箱形截面，截面高度1.0 m，寬度1.5 m，板厚18 mm，局部加厚至24 mm、28 mm。中拱肋與副拱肋在拱頂形成一個(gè)整體箱形斷面，截面高度2.8～1.6 m，板厚18 mm，寬度1.5 m。

邊拱肋采用箱形截面，拱腳端拱肋截面高度1.5 m，寬度1.5 m，板厚24 mm；拱頂端截面高度1.6 m，寬度1.5 m；邊拱肋與副拱肋在橋梁端部形成整體箱形斷面，截面高度1.6～2.86 m，寬度1.5 m，板厚18 mm。

邊、中拱肋在橋墩處采用箱型腹桿連接，高1.5 m，寬0.6 m，板厚28 mm；其他腹桿均采用工字型截面，高1.5 m，翼緣寬03～0.4 m，板厚18～24 mm。

中支點(diǎn)處拱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖4，通過復(fù)雜的隔板及加勁設(shè)計(jì)，保證節(jié)點(diǎn)傳力的連續(xù)性及有效性。

圖4 中支點(diǎn)拱腳節(jié)點(diǎn)細(xì)部圖（單位：mm）

3.2 橋面系及橫梁

橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板板厚16 mm，采用U型加勁肋，板厚8 mm。跨中橋面荷載由橫梁傳遞至系梁上，跨中橫梁間距3.0 m，墩頂附近橫梁間距2.5 m，橫梁采用工字型截面，截面高度由1.6 m漸變至2.6 m，邊跨橫梁在橫梁與拱肋連接處局部加高，橫梁下翼緣尺寸為800 mm× 30 mm，腹板厚16 mm。

橫梁間共設(shè)置三道小縱梁，截面采用工字型，高2.0 m，下翼緣采用1 000 mm×30 mm，腹板厚16 mm。圖5為中支點(diǎn)處的橫斷面布置圖。

圖4 中支點(diǎn)拱腳節(jié)點(diǎn)細(xì)部圖（單位：mm）

主梁端橫梁內(nèi)設(shè)置壓重混凝土，壓重材料采用素混凝土。壓重混凝土需分批澆筑，第一批底板處厚度為30 cm，待強(qiáng)度達(dá)到后澆筑剩余部分。

3.3 吊桿及錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋共設(shè)置13對吊桿，成扇形布置，系梁上間距為3.0 m，拱肋上間距2.0 m。吊桿采用規(guī)格為PES5-61的鍍鋅平行鋼絲PE雙護(hù)層拉索，最大張拉力為600 kN，運(yùn)營期間荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下最大拉力為806 kN，拉索設(shè)置180 mm橫向偏心。

拱肋與系梁內(nèi)吊桿均為錨固端，在吊桿中間進(jìn)行張拉。錨固結(jié)構(gòu)采用耳板的結(jié)構(gòu)形式，錨固結(jié)構(gòu)的傳力路徑為：吊桿—中間豎向耳板—拱肋T型加勁肋—橫隔板—拱肋腹板。系梁處吊桿錨固結(jié)構(gòu)也采用耳板的結(jié)構(gòu)形式，錨固結(jié)構(gòu)的傳力路徑為：吊桿—中間豎向耳板—橫隔板—系梁腹板。

3.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋臺為輕型橋臺，橋臺寬46 m，臺背厚1.94 m，橋臺下承臺高1.5 m，樁基直徑1.2 m，共21根樁，樁長35 m。

中墩（拱座）采用圓形變截面拱座，拱座高4.6 m，采用C40混凝土，拱座下設(shè)置矩形承臺，承臺高2.0 m，長8.6 m，寬7.8 m，樁徑1.2 m，共8根樁，樁長35 m。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas/Civil 2015軟件，拱肋、橫梁、縱梁及腹桿采用梁單元進(jìn)行模擬，吊桿采用只受拉桁架單元進(jìn)行模擬，全橋共1 241個(gè)單元。有限元模型見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

4.1 主拱肋計(jì)算

基本組合下中、邊拱肋最大拉應(yīng)力為105.0 MPa，最大壓應(yīng)力為-163.0 MPa。主拱肋板件考慮受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為 0.817，容許壓應(yīng)力為0.817×270=220 MPa＞163 MPa，滿足規(guī)范要求。

主拱肋最大剪應(yīng)力為40.6 MPa，小于容許剪應(yīng)力155 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 副拱肋計(jì)算

基本組合下副拱肋最大拉應(yīng)力為89.1 MPa，最大壓應(yīng)力為130.3 MPa。副肋板件考慮受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.817，容許壓應(yīng)力為0.817× 270=220 MPa＞130.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

副拱肋最大剪應(yīng)力為32.2 MPa，小于容許剪應(yīng)力155 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3 拱肋腹桿計(jì)算

基本組合下箱型腹桿最大拉應(yīng)力為139.5 MPa，最大壓應(yīng)力為-160.1 MPa。考慮受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.787，整體穩(wěn)定折減系數(shù)為0.957，容許壓應(yīng)力為0.787×0.957×270=203 MPa＞160.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

基本組合下工字型腹桿最大壓應(yīng)力為-160.1MPa。考慮受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.807，整體穩(wěn)定折減系數(shù)為0.882，容許壓應(yīng)力為0.807×0.882× 270=192.2 MPa＞160.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4 系梁、橫梁、縱梁計(jì)算

系梁：基本組合下系梁最大拉應(yīng)力為91.8 MPa，最大壓應(yīng)力為-28.5 MPa，小于 [σ]=270 MPa，滿足規(guī)范要求。

系梁段橫梁：基本組合下系梁段橫梁最大拉應(yīng)力為136.4 MPa，最大壓應(yīng)力為-150.1 MPa，小于[σ]=270 MPa，滿足規(guī)范要求。在基本組合下系梁段橫梁最大剪應(yīng)力為51.7 MPa，小于 [σ]=155 MPa，滿足規(guī)范要求。

縱梁應(yīng)力：在基本組合下出現(xiàn)126.0 MPa拉應(yīng)力，-114.5 MPa的壓應(yīng)力，小于 [σ]=270 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5 吊桿計(jì)算

運(yùn)營階段標(biāo)準(zhǔn)組合工況吊桿最大應(yīng)力σ=662 MPa，安全系數(shù)k=fpk/σ=2.52＞2.5，滿足規(guī)范要求。

疲勞荷載模型I吊桿應(yīng)力幅ΔσP=70.9 MPa，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.2.2節(jié)，平行鋼絲束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=70.9 MPa≤ks×ΔσD/γMf=1.0×137/1.35=101 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.6 剛度計(jì)算

主拱的活載最大豎向位移為8.4 mm；橫梁跨中活載最大豎向位移35.3 mm，最小豎向位移-0.2 mm，活載計(jì)算撓度f=35.3+0.2=35.7 mm＜L/500=92 mm，滿足規(guī)范要求，同時(shí)橫梁按恒載+0.5活載的變形值反向設(shè)置預(yù)拱度。

4.7 整體穩(wěn)定計(jì)算

主橋在恒載、活載和風(fēng)荷載作用下，以主拱的側(cè)向失穩(wěn)為主要的整體失穩(wěn)模態(tài)，最小的穩(wěn)定系數(shù)為95.2，滿足設(shè)計(jì)要求。圖7為第一階失穩(wěn)模態(tài)拱肋側(cè)傾。

4.8 吊桿耳板計(jì)算

基本組合下吊桿最大內(nèi)力為966 kN，耳板厚30 mm，貼板厚25 mm，耳板承壓應(yīng)力σc=120.75 MPa小于容許承壓應(yīng)力355 MPa；計(jì)算的破壞拉應(yīng)力為161 MPa，小于容許應(yīng)力270 MPa，滿足要求。

圖7 一階失穩(wěn)模態(tài)——拱肋側(cè)向失穩(wěn)

5 施工方法[1,2]

根據(jù)橋位處河床現(xiàn)狀為干枯河道的特點(diǎn)，施工方案的制定原則為：充分利用現(xiàn)狀河床干枯的條件，采用搭設(shè)少支架進(jìn)行施工的方案，結(jié)合該橋的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并考慮運(yùn)輸及吊裝能力，適當(dāng)控制構(gòu)件的規(guī)模、重量。施工主要流程如下：

第一步：施工單位進(jìn)場，四通一平；填筑施工便道，橋墩處筑島，開始鉆孔樁施工；承臺、橋墩施工；基礎(chǔ)施工同時(shí)工廠鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段加工。

第二步：搭設(shè)臨時(shí)支墩；設(shè)置臨時(shí)支座安裝拱腳節(jié)段及主墩橫梁，見圖8。