上飛燕式鋼箱拱橋方案比選及整體計(jì)算分析

盧元?jiǎng)?/p>

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

根據(jù)阜陽泉河、沙潁河城區(qū)段橋梁建設(shè)規(guī)劃，阜陽城區(qū)段遠(yuǎn)期將達(dá)到14座跨河橋梁，構(gòu)成規(guī)模宏大的橋梁群，未來橋梁群景觀將成為兩岸景觀的最大展示面之一。

向陽路潁河大橋位于阜陽潁河三角洲公園區(qū)域，未來城市發(fā)展中心區(qū)域。根據(jù)橋梁群整體景觀規(guī)劃，本項(xiàng)目采用上飛燕式三跨拱橋,如圖1所示。橋梁立面如飛燕式造型，拱圈立面猶如兩條絲帶從拱頂飄落，與橋面完美順接；橫斷面上看，配合曲線X形風(fēng)撐，呈門式造型。上飛燕鋼箱拱橋展現(xiàn)自身曲線流暢，整體對(duì)稱、柔和之特點(diǎn)，與周圍環(huán)境參差錯(cuò)落互補(bǔ)，唱響城市發(fā)展的優(yōu)美和諧的主旋律。

圖1 橋梁總體方案圖

1 上飛燕式鋼箱拱橋總體方案及橋面系結(jié)構(gòu)比選

向陽路潁河大橋主橋跨徑布置為(47+148+47) m，主橋全長(zhǎng)242 m，為上飛燕式梁拱組合橋梁。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，主跨與兩側(cè)邊跨構(gòu)成三跨連續(xù)梁拱組合受力體系，其中主跨本身為下承式系桿拱橋，系桿為剛性系桿[1,2]。

拱圈為雙片鋼箱拱結(jié)構(gòu)，在橋梁總體設(shè)計(jì)階段針對(duì)橋面系材料類型及結(jié)構(gòu)形式開展了比較分析，推薦方案采用鋼橋面系，鋼縱梁及正交異性鋼橋面板，如圖2所示；比較方案采用混凝土橋面系，預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及混凝土橋面板，如圖3所示。

1.1 兩種橋面系設(shè)計(jì)方案[3]

推薦方案中，鋼橋面系鋼縱梁高2.5 m，寬2.0 m?？v梁頂?shù)装?、腹板均?4 mm厚鋼板。鋼縱梁結(jié)構(gòu)作為主受力結(jié)構(gòu)，承受拱圈的水平推力。橫向鋼橫隔梁順橋向間距3.0 m，橫梁鋼板厚20 mm，橫梁與兩側(cè)主系梁通過高強(qiáng)螺栓連接。橋面板采用正交異性鋼橋面板，厚度16 mm，橋面板U肋采用8 mm鋼板壓制成的U形閉口肋。

圖2 鋼橋面系標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(推薦方案)

圖3 混凝土橋面系標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(比較方案)

比較方案中，混凝土橋面系由預(yù)應(yīng)力混凝土系梁、中橫梁、端橫梁組成的框架式結(jié)構(gòu)體系。系梁跨中為箱型結(jié)構(gòu)，端部為適應(yīng)拱腳受力需要采用實(shí)心截面，中橫梁采用帶馬蹄的“T”型混凝土截面，端橫梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，縱橫梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋面板采用混凝土橋面板。

1.2 考慮總體外形及拱梁銜接錨固構(gòu)造因素的主梁結(jié)構(gòu)形式比選

混凝土橋面系方案中，混凝土主梁與鋼拱圈結(jié)合處較難以處理，鋼混結(jié)合處構(gòu)造復(fù)雜，施工控制難度大；拱腳需做較大的混凝土底座，如圖4所示。

圖4 混凝土橋面系梁拱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案

圖5 鋼橋面系梁拱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案

鋼橋面系方案中,拱腳處拱圈上、下緣線為二次拋物線與圓弧線的組合線形，局部采用小半徑圓弧線進(jìn)行過渡，主梁與拱圈過渡流暢，如圖5所示。同時(shí)拱梁銜接處，拱腳腹板與主梁腹板采用整體大節(jié)點(diǎn)鋼板，鋼拱腳、鋼主梁推力及彎矩傳力明確。

1.3 考慮拱圈、主梁受力因素的主梁結(jié)構(gòu)形式比選

1.3.1 兩橋面系方案中拱圈應(yīng)力情況[4]

采用鋼橋面系方案，在使用階段主拱最大壓應(yīng)力為165.3 MPa，發(fā)生在拱橋與邊跨銜接處；最大拉應(yīng)力為65.9 MPa，發(fā)生在主、副拱分叉處，主拱肋受力較為均勻，如圖6所示。

圖6 主拱使用階段最大應(yīng)力(單位：MPa)

用混凝土主梁及混凝土橋面板方案，主梁自重為鋼主梁的5倍，拱圈應(yīng)力中的壓應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，需考慮拱圈內(nèi)灌注混凝土，在矩形拱圈截面四角位置處，鋼管混凝土灌注施工難度大。

1.3.2 兩橋面系方案中主縱梁應(yīng)力情況

本橋采用三跨梁拱組合體系拱橋，系梁彎矩圖如圖7所示。

從圖7看出，由于中跨系梁荷載已經(jīng)通過吊桿傳遞至拱橋，中跨系梁類似單跨系桿拱橋較小，彎矩較小，主梁高度較小。但邊跨，無吊桿位置處，特別是在主墩位置，上緣負(fù)彎矩較大，主墩墩頂位置受力類似于連續(xù)梁。

預(yù)應(yīng)力混凝土主梁方案，中跨主梁通過吊桿將荷載傳遞至拱圈，中跨彎矩較?。贿吙?特別是主墩頂)彎矩較大，所需主梁高度較大，且主梁上緣需要布置較大的預(yù)應(yīng)力束抵消墩頂負(fù)彎矩，邊、中跨主梁過渡及預(yù)應(yīng)力錨固困難。

鋼主梁橋面系方案鋼材受壓、拉性能基本相同，僅需墩頂處適當(dāng)增大主梁高度，無須預(yù)應(yīng)力體系，構(gòu)造簡(jiǎn)單，邊、中跨主梁受力及構(gòu)造流暢。

本項(xiàng)目橋梁總體方案研究比較中，綜合上述橋面系方案的外形景觀流暢性、結(jié)構(gòu)形式、受力性能、施工難度及橋面耐久性等因素，最終本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了鋼主縱梁、鋼橋面系結(jié)構(gòu)形式。

2 橋梁施工及使用階段整體計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算控制標(biāo)準(zhǔn)

本橋總體靜力分析采用MIDAS空間桿系有限元模型進(jìn)行分析。主梁模型采用兩側(cè)系梁+鋼橋面板梁?jiǎn)卧?，主拱模型采用雙拱肋單元模型，吊桿、系桿采用桁架單元模[6]，全橋共離散成890個(gè)單元；主拱通過剛性連接與邊跨鋼箱梁連接，計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 計(jì)算模型

施工及設(shè)計(jì)階段相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及位移控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)Q345D鋼材強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)

全橋鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345D鋼材，其強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果的控制標(biāo)準(zhǔn)如下表1：

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

(2)吊桿應(yīng)力及應(yīng)力幅控制標(biāo)準(zhǔn)

參照《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(D65-01-2007)3.4.1條規(guī)定，斜拉索在運(yùn)營狀態(tài)下的安全系數(shù)不得小于2.5，拉索的允許應(yīng)力為：

[σ]≤0.4fpk=0.4×1860=744 MPa

應(yīng)力幅：

Δσ≤200 MPa

(3)拱、梁擾度控制標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)拱橋規(guī)范沒有做出具體規(guī)定，參照梁橋容許撓度取為1/600L，其中L為橋梁跨徑。對(duì)于本橋，在活載作用下，各類構(gòu)件其撓度允許值取如下：

主拱擾度限制 [s]=148000/ 600=246.7mm

鋼縱梁擾度限制[s]=148000/ 600=246.7mm

2.2 施工階段橋梁整體計(jì)算分析

本橋施工方法推薦采用先梁后拱支架施工方法，具體施工過程如下[5]：

表2 施工流程表

施工階段最大受拉、受壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖9所示，在施工階段最大拉應(yīng)力為118 MPa，發(fā)生在中跨支座位置的系梁上。最大壓應(yīng)力為127 MPa，發(fā)生在主跨拱肋與鋼縱梁相接處(拱腳位置)。

圖9 施工階段應(yīng)力包絡(luò)圖

2.3 使用階段橋梁整體計(jì)算分析

2.3.1 拱圈使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

在使用階段,主拱最大壓應(yīng)力為165.3 MPa，發(fā)生在拱腳位置處；最大拉應(yīng)力為65.9 MPa，發(fā)生在S10分叉處，如圖10所示。主拱肋受力較為均勻，處于受壓狀態(tài)，小于表1中所列的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖10 主拱使用階段應(yīng)力(包絡(luò)圖)

2.3.2 鋼縱梁使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

在使用階段，鋼系梁最大壓應(yīng)力為156.1 MPa，發(fā)生在中支座附近。最大拉應(yīng)力為122.6 MPa，發(fā)生在中支座附近，如圖11所示。鋼系梁應(yīng)力能滿足強(qiáng)度要求[7，8]。

圖11 鋼縱梁使用階段應(yīng)力

3 曲線風(fēng)撐構(gòu)造設(shè)計(jì)及橋梁整體穩(wěn)定性分析

本橋梁橫橋向，全橋由雙片拱圈組成，拱圈間距為35 m。雙片拱圈間通過X形曲線風(fēng)撐進(jìn)行連接，如圖12所示，以保證拱圈的橫向穩(wěn)定性。

圖12 向陽路橋曲線風(fēng)撐實(shí)景圖

采用MIDAS 建立空間桿系有限元模型對(duì)全橋進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，計(jì)算全橋的穩(wěn)定特性。

按照引起主拱肋軸向壓力最不利作用進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，所考慮的作用包括恒載、二期恒載、溫度影響力(升溫)和吊桿力和系桿力、活載(人群+車道荷載)(使拱頂產(chǎn)生最大軸力的加載布置)[9]。屈曲分析得到前3階臨界荷載系數(shù)見表2，第1～3階失穩(wěn)模態(tài)，如圖13所示。

表2 臨界荷載系數(shù)

考慮恒載、二期恒載、升溫、吊桿力和系桿力、活載(使拱頂產(chǎn)生最大軸力的加載布置)進(jìn)行屈曲分析，得到最小臨界荷載系數(shù)為12.26，滿足規(guī)范要求[10]。

4 結(jié) 論

上飛燕式梁拱組合體系鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)新穎，拱圈遒勁有力，造型優(yōu)美；橋梁結(jié)構(gòu)綜合拱橋和梁橋受力優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，體系組合結(jié)構(gòu)合理性。

本文首先針對(duì)該橋型總體方案中橋面系結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選，綜合構(gòu)造設(shè)計(jì)、橋梁受力、景觀及施工難度等因素，確定該橋型采用正交異性鋼橋面板的合理性。

同時(shí)通過對(duì)結(jié)構(gòu)的綜合研究和計(jì)算分析，研究了潁河向陽路大橋的總體受力性能，分析了結(jié)構(gòu)在施工過程、使用過程中的結(jié)構(gòu)受力狀況，通過計(jì)算分析看出：

(1)在施工階段最大拉應(yīng)力為118 MPa，發(fā)生在中跨支座位置的系梁上，最大壓應(yīng)力為127 MPa，發(fā)生在主跨拱肋與鋼縱梁相接處(拱腳位置)。

(2)在使用階段，主拱最大應(yīng)力為165.3 MPa，發(fā)生在拱腳位置處。

(3)在使用階段，鋼系梁最大壓應(yīng)力為156.1 MPa，發(fā)生在中支座附近，橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)力滿足規(guī)范要求，在各構(gòu)件結(jié)構(gòu)驗(yàn)算控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

最后針對(duì)曲線風(fēng)撐，考慮恒載、二期恒載、升溫、吊桿力、活載(使拱頂產(chǎn)生最大軸力的加載布置)進(jìn)行屈曲分析，得到最小臨界荷載系數(shù)為12.26，橋梁整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。