下承式大跨度提籃拱橋設(shè)計(jì)與分析

杜 鵬，唐志強(qiáng)

（1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海市 200063；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海市 200063）

1 概述

1.1 工程概況

凌波橋橋梁工程位于揚(yáng)州市三灣公園內(nèi)，現(xiàn)狀古運(yùn)河河道寬度約140 m，橋梁中心線與河道夾角為90°，是連接古運(yùn)河?xùn)|西兩岸的重要通道。橋梁工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)K0+276，終點(diǎn)樁號(hào)K0+499，全長223 m，跨徑布置為2×25 m+148 m+25 m=223 m，其中主橋采用下承式提籃拱橋，引橋采用簡支預(yù)制小箱梁，如圖1所示。凌波橋設(shè)計(jì)靈感來自揚(yáng)州的水，揚(yáng)州以“州界多水，水揚(yáng)波”而聞名，京杭大運(yùn)河的發(fā)端就在這里，揚(yáng)州也是全國唯一一座與古運(yùn)河同齡的城市，有著源遠(yuǎn)流長的水文化，通過橋的形態(tài)設(shè)計(jì)與水流產(chǎn)生互動(dòng)，展現(xiàn)今天的揚(yáng)州打造親水城市的手筆，讓人感受到揚(yáng)州“水域共生”的深厚文化底蘊(yùn)。

圖1 凌波橋總體立面圖（單位：cm）

1.2 基本建設(shè)條件

1.2.1 自然地理

場地位于中緯度地帶，屬?zèng)鰜啛釒駶櫄夂颍昶骄涤炅? 033 mm，年平均蒸發(fā)量1 518 mm。潛水位年變幅最大為2.15 m，最小為0.84m，高值一般出現(xiàn)在7～9月汛期，低值多出現(xiàn)在11～12月旱季。

1.2.2 地形地貌

場地位于長江下游沖積平原區(qū)，地貌類型屬三角洲平原的古河口沙嘴。橋址處古運(yùn)河西岸為沙石堆場，地面高程約5.5 m，東岸為農(nóng)田，地面高程 5.8～6.7 m。

1.2.3 地質(zhì)構(gòu)造

場地大地構(gòu)造位置處于我國大陸東部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)蘇南隆起區(qū)的江都隆起部位。場地北側(cè)有蔣王-宜陵斷裂、西側(cè)有蔣王廟-酒甸斷裂，東側(cè)有鳳凰河斷裂穿過，其他斷裂離場地較遠(yuǎn)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，這些斷裂晚近期均未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)跡象，場地區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定較好。

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市支路，設(shè)計(jì)車速30 km/h。

（2）設(shè)計(jì)荷載:城-B級(jí)，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）古運(yùn)河Ⅵ級(jí)航道，航道寬25m，通航凈空不小于4.5 m。

（4）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為7度,地震動(dòng)峰值加速度0.15 g。

（5）設(shè)計(jì)水位及設(shè)計(jì)洪水頻率：最低通航水位3.830 m，最高通航水位5.830 m，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。

（6）橋梁縱坡：橋面最大縱坡2.9%，最小豎曲線半徑（凸）R=1 000 m。

（7）斷面布置。主橋：2.0 m（工作空間）+2.0 m（人行道）+8.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（人行道）+2.0 m（工作空間）=16.0 m。 引橋：2.0 m（人行道）+8.0 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（人行道）=12.0 m。

2 主橋設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

主橋采用主跨148 m的下承式提籃拱橋，主拱肋采用鋼箱截面，兩片拱肋間設(shè)風(fēng)撐。主梁采用由邊縱梁、橫梁、小縱梁組成的鋼結(jié)構(gòu)縱橫體系，上設(shè)正交異性鋼橋面板。

2.2 拱肋

主跨理論跨徑148 m，矢高為30.31 m，矢跨比為 1/4.9，拱軸線最高點(diǎn)距橋面頂面27.1 m，采用提籃形雙拱肋，拱肋向橋中心線傾斜。主拱拱軸線由四段拋物線組成，平、立面拋物線方程為Y=pow

主橋拱肋分為15個(gè)節(jié)段，從拱頂?shù)腪1節(jié)段至拱腳的Z8節(jié)段，對(duì)稱布置，拱肋斷面為等寬變高度單室鋼箱，寬度為2.5 m。其中，合龍段Z1節(jié)段長20 m，高度從跨中4.5 m漸變至理論分段線處4.214 m；拱肋節(jié)段 Z2～Z6，節(jié)段長均為10 m，高度從4.214 m漸變至3.346 m；拱肋節(jié)段Z7，節(jié)段長6 m，高度從3.346 m漸變至3.623 m；拱腳段Z8，節(jié)段長7.92 m，為拱腳非標(biāo)段。

Z1節(jié)段的頂、底板厚18 mm，腹板板厚為16 mm，縱向加勁肋厚為16 mm；Z2～Z3節(jié)段的頂板、底板板厚為25 mm，腹板板厚為 22 mm，縱向加勁肋厚為20 mm；Z4～Z8節(jié)段的頂板、底板板厚為32 mm，腹板板厚為28 mm，縱向加勁肋厚為22 mm。

拱軸線立面為拋物線，拱軸線的各交點(diǎn)均在拋物線上，每段直線段平面投影長2 m。每4 m（平面投影長）設(shè)置一道橫隔板，兩道橫隔板之間設(shè)置一道縱向加勁，縱向采用板式加勁肋，剛性加勁設(shè)計(jì)。橫隔板厚28 mm，橫隔板處設(shè)人孔，人孔加勁肋厚12 mm，寬268 mm，縱向板式加勁肋厚30 mm。

以跨中為中心，對(duì)稱布置風(fēng)撐，共設(shè)置5道，其中3道一字形風(fēng)撐、2道K形風(fēng)撐，風(fēng)撐的水平投影間距為20 m。風(fēng)撐、斜撐均采用箱形截面，截面頂?shù)装迮c拱軸線連線平行。風(fēng)撐、斜撐標(biāo)準(zhǔn)橫斷面尺寸均為1.75 m×2 m。風(fēng)撐、斜撐的頂板、底板及腹板厚度均為16 mm，加勁肋厚度為14 mm，每2 m設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚14 mm，如圖2所示。

圖2 拱肋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.3 主梁

主梁采用鋼結(jié)構(gòu)體系，是由鋼結(jié)構(gòu)梁格與橋面板組成的整體。鋼梁格由兩根邊主梁、端橫梁、中橫梁、小縱梁組成。橋面板采用正交異性鋼橋面板。

該橋鋼加勁梁采用工廠預(yù)制節(jié)段，現(xiàn)場連接成整體的施工方式，根據(jù)構(gòu)造及施工架設(shè)的需要?jiǎng)澐止?jié)段。全橋系梁共分為9個(gè)節(jié)段Z1～Z9，對(duì)稱布置。其中，Z1、Z9為拱梁結(jié)合段，節(jié)段長5.8m；Z2、Z8 節(jié)段長 17.12 m；Z3、Z5、Z7 節(jié)段長 20 m，其中Z5節(jié)段為跨中合龍段；Z4、Z6節(jié)段長18 m。

Z2～Z8節(jié)段邊主梁采用箱形截面，寬2.0 m，高1.4～1.44 m，頂面設(shè)置2%橫坡，底面水平，其頂、底板厚25 mm，腹板厚20 mm。縱向設(shè)加勁肋，高200 mm，厚25 mm。每5 m設(shè)置一道橫隔板，局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整，橫隔板厚20 mm，橫隔板處設(shè)人孔，人孔加勁肋厚12 mm，寬120 mm。

中橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距5 m，局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整，中橫梁位置與邊主梁橫隔板位置相對(duì)應(yīng)。橫梁截面采用工字形截面，頂面設(shè)置2%橫坡，頂面與橋面板連接，橋面板板厚14 mm，底面與系梁底面齊平。中橫梁梁高1.44～1.56 m，腹板厚20 mm，底板厚25 mm，底板寬600 mm。橫梁間沿縱橋向設(shè)置兩道小縱梁。小縱梁采用工字形截面，梁高0.986 m，腹板厚18 mm，底板厚20 mm，底板寬400 mm。

拱梁結(jié)合段（Z1、Z9）設(shè)置邊主梁與拱肋連接段，拱肋和拱梁結(jié)合段連接，斷面形式為主梁與拱肋組合成的不規(guī)則截面。邊主梁及拱梁結(jié)合段均采用箱形截面，頂面設(shè)置2%橫坡，底面水平。邊主梁及拱梁結(jié)合段頂、底板均加厚至40 mm，腹板厚20 mm。每2 m設(shè)置一道橫隔板，板厚30 mm，橫隔板處分別設(shè)人孔，人孔加勁肋厚12 mm，寬120 mm。拱梁結(jié)合段端橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距2 m，端橫梁位置與邊主梁橫隔板位置相對(duì)應(yīng)。橫梁截面采用工字形截面，頂面設(shè)置2%橫坡，頂面與橋面板連接，橋面板加厚至40 mm，底面與系梁底面齊平。端橫梁梁高1.44～1.56 m，腹板厚 30 mm，底板厚 40 mm，底板寬600 mm。端橫梁間沿縱橋向設(shè)兩道小縱梁。小縱梁采用工字形截面，梁高0.986 m，腹板厚18 mm，底板厚20 mm，底板寬400 mm，如圖3所示。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.4 吊桿

主橋吊桿兩側(cè)對(duì)稱布置，吊桿順橋向間距10 m，兩側(cè)拱下各設(shè)吊桿12根，全橋吊桿合計(jì) 24根。吊桿采用15.2×19單絲環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線，纏包后熱擠HDPE，索體外徑105 mm，破斷索力4 940 kN。拱上吊桿采用銷接方式錨固，拱上插銷板厚50 mm，兩側(cè)加強(qiáng)板厚25 mm，總厚度100 mm，吊桿錨固隔板與吊桿方向一致，垂直于水平面布置，與拱軸線斜交。梁上吊桿間距10 m，銷接方式同拱上吊桿。吊桿采用兩端錨固的形式，LZM7-127冷鑄錨錨固體系，如圖4所示。

圖4 吊桿示意圖

2.5 施工步驟

主橋施工步驟如圖5所示。

圖5 主橋施工步驟

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

分析程序分別采用MIDAS/Civil 2015和ANSYS進(jìn)行計(jì)算[1]。MIDAS中拱肋、主梁采用空間梁單元，吊桿采用只受拉單元。模型共計(jì)梁單元607個(gè)，只受拉單元24個(gè)。ANSYS中共計(jì)劃分單元11萬個(gè)，如圖6和圖7所示。

圖6 MIDAS模型圖

圖7 ANSYS模型圖

3.2 靜力分析結(jié)果

3.2.1 拱肋

荷載作用下梁模型拱肋最大拉應(yīng)力76 MPa，最大壓應(yīng)力156.6 MPa。板殼模型拱肋跨最大拉應(yīng)力72.6 MPa，最大壓應(yīng)力151.6 MPa。

3.2.2 吊桿內(nèi)力

恒載作用下梁模型吊桿內(nèi)力467.3～634.1 kN；板殼模型吊桿內(nèi)力389.0～682.0 kN。

3.2.3 豎向位移

荷載作用下梁模型拱肋豎向位移最大值8.7 cm；板殼模型拱肋豎向位移最大值9.2 cm。

3.2.4 縱向位移

荷載作用下梁模型拱肋順橋向位移最大值4.4 cm；板殼模型拱肋順橋向位移最大值4.1 cm。

如圖8和圖9所示，通過板殼模型與梁模型對(duì)比，梁模型精度基本滿足要求。

圖8 MIDAS位移示意圖

圖9 ANSYS位移示意圖

3.3 局部分析結(jié)果

因拱腳與橫梁連接處為該橋受力最復(fù)雜的部位，因此應(yīng)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行局部應(yīng)力分析[2]。

3.3.1 恒載（自重+二期）作用

恒載作用下拱梁結(jié)合部位最大梅塞思等效應(yīng)力為172 MPa，位于主梁與橫梁交接處，其余部位最大梅塞思等效應(yīng)力為106 MPa，如圖10和圖11所示。

圖10 恒載作用下拱梁結(jié)合部位橋面處梅塞思等效應(yīng)力（單位：N/mm2）

圖11 恒載作用下拱梁結(jié)合部位底面處梅塞思等效應(yīng)力（單位：N/mm2）

3.3.2 活載（活載人群+汽車）作用

活載作用下拱梁結(jié)合部位最大梅塞思等效應(yīng)力為27 MPa，位于主梁與橫梁交接處，其余部位最大梅塞思等效應(yīng)力為23 MPa，如圖12和圖13所示。

經(jīng)分析比較，拱梁結(jié)合部位應(yīng)力組合最大為237MPa，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）相關(guān)承載力要求。

圖12 活載作用下拱梁結(jié)合部位頂面處梅塞思等效應(yīng)力（單位：N/mm2）

圖13 活載作用下拱梁結(jié)合部位底面處梅塞思等效應(yīng)力（單位：N/mm2）

4 使用情況

凌波橋自2018年1月30日開放運(yùn)營以來，使用情況基本正常，且竣工前委托中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，并出具了荷載試驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告結(jié)論復(fù)合相關(guān)要求，總體安全可靠，滿足正常使用條件，如圖14所示。

圖14 現(xiàn)狀照片

5 結(jié)語

凌波橋作為下承式提籃拱橋，成為揚(yáng)州三灣的標(biāo)志性建筑，代表了揚(yáng)州的獨(dú)特文化。大膽和獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念在國內(nèi)屈指可數(shù)，也為此類組合橋型的可行性奠定了基礎(chǔ)，提供了可借鑒的參考依據(jù)，證明了這種結(jié)構(gòu)體系的可靠性，為今后更多的組合橋梁做出了貢獻(xiàn)。