變高度異型剛架橋結構設計及計算分析
——以福州市岐陽一路景觀橋為例

劉澄源

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350003)

0 引言

隨著現代城市化建設和橋梁科學技術的迅速發展，城市對橋梁的功能、景觀要求不斷提高，城市橋梁設計在滿足實用性基礎上，還應關注其創意性及美觀性[1]。現實中，城市橋梁設計，常受到地下管線、橋下道路、現狀建筑物、通航及景觀要求等因素制約，導致無法選擇常規的橋梁結構形式，需要橋梁設計師通過精妙的構思，大膽選用創新的結構與技術，實現城市橋梁在實用性、創意性及美觀性上的統一。

基于剛架橋通過主梁與墩臺之間的剛性連接，顯著減小豎向荷載下主梁跨中的正彎矩，跨中主梁高度也相應得以減小，如主梁采用鋼材，跨中主梁高度進一步減小，使橋梁外觀纖細輕盈，橋下視野開闊；同時，剛架橋橋面不設伸縮縫，支點無支座，行車舒適性高。因此，剛架橋在城市景觀橋梁選型中具有獨特優勢。

本文以福州市馬杭洲河上的岐陽一路景觀橋為工程背景，介紹岐陽一路橋的選型過程，研究變高度異型剛架橋結構的可行性及合理性，以期為同類條件下的城市景觀橋梁設計選型提供參考。

1 工程概況

福州市三江口片區處于城市“東進南下”軸線的重要節點，是承載疏解老城、連接濱海新城的重要地區，馬杭洲河作為三江口片區的主要景觀軸，目前正進行河道景觀整治提升。岐陽一路橋是跨越馬杭洲河上的一座景觀橋，馬杭洲河河道岸線寬度30m，橋面高程8.83m，常水位3.64m，澇水位5.49m；橋下河道兩側均設置4.0m寬的人行親水步道，凈高不小于2.5m，橋中通航要求通航凈寬12m，通航凈高不小于2.5m；主橋按雙幅布置，橋面總寬度38m(2.5m人行道+3.0m非機動車道+1.5m側分帶+10.5m車行道+3m中分帶+10.5m車行道+1.5m側分帶+3.0m非機動車道+2.5m人行道)。

基于上述要求，該景觀橋須采用一跨過河的方案。故，主跨采用1m×30.4m變高度鋼箱梁異型剛架結構，兩側采用混凝土橋臺，鋼箱梁與混凝土橋臺采用預應力錨桿連接，橋臺處挖空設置橋下人行步道，跨徑布置8.45m+32.03m+8.45m，橋梁總長48.93m。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 結構設計要點

2.1 上下部結構總體設計

在中小跨橋梁中，梁底的曲線造型是橋梁立面視覺效果的決定性因素，跨中與根部的梁高變化越大，梁底曲線越顯著，景觀效果越好[2]。相比于簡支梁，鋼箱梁異型剛架橋主梁與橋臺固結，且自重較輕，跨中彎矩較小，因此跨中梁高可以取較小值1.2m≈L/27進行設計(L為跨徑)，根部梁高取值3.0m≈L/11，梁底曲線采用R=570m圓弧線。半幅橋采用3片鋼箱梁形成多肋結構造型，多條梁底曲線多方位展示結構的線條美。鋼箱梁端部加厚段頂板、底板和腹板厚28mm，跨中段頂板、底板和腹板厚16mm。

下部結構采用混凝土橋臺，基礎采用樁徑為1.5m鉆孔灌注樁基礎，橋臺靠河一側橫向通過挖空設置為多肋，行人在橋下通行時，視線通透，視覺效果好。橋梁根部橫斷面布置圖與橋梁效果圖如圖2～圖3所示。

圖2 橋梁根部橫斷面布置圖(單位：cm)

圖3 橋梁效果圖

2.2 鋼箱梁錨固連接設計

岐陽一路橋采用一跨過河方案，中跨跨徑較大，且需要盡可能降低跨中梁高來滿足景觀與通航要求。因此，主梁只能選擇預應力混凝土結構或鋼結構。由于異型剛架橋屬于多次超靜定結構，選擇預應力混凝土結構會產生復雜的次內力，導致預應力束設計與施工難度較大，故，主梁最終采用鋼箱梁結構。

該案例初步設計，采用高強度螺栓摩擦型連接形式，將鋼箱梁錨固在混凝土橋臺上，但根據試算結果發現，鋼主梁與橋臺連接處剪力與彎矩較大，即使選用規范中最大型號M30高強度螺栓，一個螺栓也僅能提供355kN的預拉力，在同時承受剪力與拉力時無法提供足夠承載力。因此，該項目借鑒混合梁結合部的構造設計，采用φ32預應力鋼筋代替高強度螺栓，每個φ32預應力鋼筋張拉控制應力設計為735MPa，單根預應力鋼筋提供的預拉力可達591kN。預應力鋼筋及其配套螺母材料采用40Cr，管道采用φ50 mm金屬波紋管，全橋共布置1128根預應力錨固鋼筋。預應力錨桿連接立面圖、斷面圖分別如圖4～圖5所示。

圖4 預應力錨桿連接立面圖(單位：cm)

圖5 預應力錨桿連接斷面圖(單位：cm)

預應力錨桿連接的施工步驟如下：

(1)錨墊板、預應力管道、預應力鋼筋及配套螺母、加強鋼筋、橋臺鋼筋等預埋就位；

(2)澆筑橋臺混凝土；

(3)待混凝土強度達到設計要求時，首次張拉預應力筋；

(4)橋面附屬施工，注意監測預應力錨栓松弛情況，并按監控要求對預應力筋進行補拉；

(5)封錨混凝土施工。

3 鋼箱梁主要計算結果

3.1 建立全橋有限元分析模型

利用有限元軟件MIDAS CIVIL建立全橋空間梁格模型，對橋梁進行整體計算分析。主梁、橋臺和樁基均采用梁單元進行模擬，由于剛架橋主梁、橋臺及樁基礎構成整體，因此鋼箱梁和橋臺、橋臺和樁基礎單元在連接處固接[3]。

采用土彈簧模擬樁土作用，根據地質資料將單元厚度土層剛度系數計算出來，然后在層土中間處施加水平土彈簧，樁底采用固結方式施加豎向土彈簧[4]；溫度效應采用整體升、降溫25℃，梯度溫度按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)取值；臺后填土影響采用主動土壓力施加在橋臺上。全橋共分1379個節點，1362個單元。全橋有限元分析模型如圖6所示。

圖6 全橋有限元分析模型

3.2 鋼箱梁承載力驗算

基本組合下鋼箱梁上下緣應力包絡圖分別如圖7～圖8所示，基本組合下剪應力包絡圖如圖9所示。由圖7可見，鋼箱梁上緣最小正應力為-53.9MPa(受壓)，最大正應力36.5MPa(受拉)；由圖8可見，鋼箱梁下緣最小正應力為-49.7MPa(受壓)，最大正應力77.3MPa(受拉)；由圖9可見，鋼箱梁最大剪應力47.2MPa。

圖7 基本組合下鋼箱梁上緣正應力包絡圖(單位：MPa)

圖8 基本組合下鋼箱梁下緣正應力包絡圖(單位：MPa)

圖9 基本組合下鋼箱梁剪應力包絡圖(單位：MPa)

該橋鋼箱梁采用Q345qD 鋼材，查規范得其抗彎、抗剪強度設計值分別為270MPa和155 MPa。基本組合下最大正應力 77.3MPa(拉應力)<270 MPa，出現在跨中底板處；最大剪應力47.2MPa<155 MPa，出現在1/4主梁位置處。因此，鋼箱梁抗彎、抗剪強度滿足規范要求。

3.3 疲勞強度驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》[5](JTG D64-2015)5.5規定，該橋整體疲勞驗算采用計算模型Ⅰ(等效車道荷載)。鋼箱梁控制截面在等效車道荷載下正應力及剪應力，分別如表1～表2所示。

表1 鋼箱梁控制截面正應力 MP

MPa

根據規范附錄表C.0.2，主梁為構造細節⑤，常幅疲勞極限應力為73.6MPa，剪應力幅疲勞截止限為45.7MPa。根據規范附錄表C.0.3，鋼梁縱、橫向焊縫為手工對接焊縫，構造細節②，常幅疲勞極限應力為81.1MPa，剪應力幅疲勞截止限為50.3MPa。

由此可知，鋼箱梁疲勞強度驗算滿足規范要求。

3.4 整體剛度驗算

計算豎向撓度時，按照結構力學方法并采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇系數為1.0，活載下鋼箱梁撓度如圖10所示，在活載頻遇值作用下，鋼箱梁最大豎向撓度值為7mm

圖10 活載下鋼箱梁豎向撓度(單位:mm)

4 預應力錨桿連接計算

預應力錨桿連接，通過張拉預拉力鋼筋壓緊梁端封板與預埋鋼板，靠接觸面的摩擦力阻止其相互滑移，以達到傳遞外力目的，原理與高強度螺栓摩擦型連接相同，因此，采用高強度螺栓摩擦型連接的計算方法，驗算預應力錨桿連接的抗剪承載力與抗彎承載力。

根據《鋼結構設計標準》[6](GB 50017-2017)第11.4.2條，高強度螺栓摩擦型連接應按下列規定計算：

一根預應力錨桿的抗剪承載力設計值為：

一根預應力錨桿的抗拉承載力設計值為：

根據全橋有限元計算結果，基本組合下主梁端部截面內力包絡值為：

剪力——Q=-8152kN;

彎矩——M=-42924kN·m;

軸力——N=-2251kN。

(1)預應力錨桿連接承受拉力驗算

受力最大的預應力錨桿承受的拉力為：

=189.9kN≤0.8P=472kN

(2)預應力錨桿連接同時承受剪力與拉力驗算：

受力最大的預應力錨桿承受的剪力為：

由此可知，預應力錨桿連接驗算滿足規范要求。

5 結論

(1)變高度異型剛架橋跨中梁高較小，橋下視野開闊，且橋面不設伸縮縫，行車舒適性高，在需要一跨過河、橋下凈空較低且橋下設置過道的條件下，變高度異型剛架橋能很好地滿足景觀及功能需求。

(2)該橋主梁采用多片鋼箱梁形成多肋結構造型，多條梁底曲線多方位展示結構的線條美，下部結構采用混凝土橋臺，橋臺靠河一側橫向通過挖空也設置為多肋，行人在橋下通行時，視線通透，視覺效果好。

(3)該橋設計難點在于如何將鋼箱梁錨固在整體式橋臺上，由于鋼箱梁根部錨固處剪力和彎矩較大，采用預應力鋼筋代替高強度螺栓，通過張拉預拉力鋼筋壓緊鋼箱梁梁端封板與預埋在混凝土橋臺里的鋼板實現錨固連接，計算結果表明，預應力錨桿連接可以提供足夠承載力。