帶鋼箱副拱鋼筋混凝土系桿拱橋組合體系設計

丁 毅

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031）

1 工程背景

大沽河沿岸城市景觀走廊帶作為青島市重點打造的城市景觀名片，同時規劃了13 座跨河橋梁構造物，建設部門更是提出了“橋梁博物館、一橋一文化、一橋一景觀”的目標要求。落藥河為大沽河的支流，落藥河大橋位于平度市南村鎮崖頭村西北約200 m處，跨越東南-西北向落藥河。落藥河大橋與右岸堤壩交于YK62+468 處，現狀主河槽寬80 m，深6.5 m，堤壩無跨河橋梁，嚴重影響兩岸生產生活出行需求，迫切需要新增一座橋梁溝通兩岸交通。結合上下游橋型進行綜合景觀設計，由于系桿拱橋具有受力明確、施工便捷、造型優美等特點，同時為了順接拱軸線形，兩側各設置一道副拱，經綜合比選，最終落藥河大橋采用上承式帶鋼箱副拱鋼筋混凝土組合系桿拱橋方案。

2 設計方案

設計跨徑組合為2×25 m+70 m+2×25 m，橋型布置見圖1。其中主跨為鋼筋混凝土系桿拱橋，矢高14 m，矢跨比1 ∶5，引橋為預應力混凝土現澆箱梁。

圖1 橋型布置/cm

拱軸線采用二次拋物線，拱肋為高160 cm、寬140 cm、肋厚120 cm 的工字形斷面。拱肋采用支架分段現澆，對稱施工，通過濕接縫連接；副拱鋼箱根據現場施工條件分段工場預制，現場拼裝焊接。系梁采用高180 cm，寬150 cm 的矩形箱形斷面，為抵抗拱腳的水平推力，在系梁內設置16 束9ΦS15.24鋼絞線。

3 結構計算分析

拱橋作為空間受力結構，其應力、動力和穩定性分析應作為計算重點。采用橋梁博士進行縱向和橫向分析，平面計算模型見圖2，采用Midas 進行動力、穩定性分析和復核。總體計算根據橋梁施工流程劃分結構計算階段，計算工況見表1，根據荷載組合要求的內容進行內力、應力、極限承載力計算，驗算結構在施工階段、運營階段應力、極限承載力及整體剛度是否符合規范要求。

圖2 平面計算模型

表1 計算工況組合

3.1 應力計算

通過平面模型計算，最不利組合主拱、副拱應力包絡圖見圖3、圖4。

圖3 最不利組合主拱應力包絡圖/MPa

圖4 最不利組合副拱應力包絡圖/MPa

通過結果分析，拱肋在使用階段的最大壓應力為9.82 MPa，出現在拱腳與系梁結合處上緣，最小壓應力為3.29 MPa，出現在L/4 處拱肋下緣；系梁在使用階段的最大壓應力為13.08 MPa，出現在系梁與拱肋結合處下緣，最小壓應力為0.51 MPa，出現在系梁空心斷面過渡到實心斷面處下緣。驗算結果顯示，系梁截面在最不利荷載組合下滿足全預應力構件截面抗裂及應力驗算的要求，系梁、拱肋均不出現拉應力。拱肋在使用階段的最大主壓應力為8.80 MPa，出現在拱肋與系梁結合處，最大主拉應力為-0.05 MPa，出現在拱肋與系梁結合處；系梁在使用階段的最大主壓應力為11.36 MPa，出現在系梁與拱肋結合處，最大主拉應力為-0.15 MPa，出現在系梁與拱肋結合處。副拱鋼結構最大拉應力為-100 MPa，出現在和主拱結合處，最大壓應力為60 MPa，出現在L/4 副拱處。所有結構應力均滿足設計應力幅值要求。

3.2 空間動力特性分析

采用Midas 建立空間模型進行動力及穩定性分析計算，模型中除橋面鋪裝以均布荷載施加外其余均以實際截面計入，全橋共252 個節點，273 個單元，除吊桿采用桁架單元、行車道板采用板單元外，拱肋、系梁、橫梁、橫撐均采用梁單元模擬，其中副拱由于對主橋剛度貢獻較小，空間計算模型中作為集中荷載考慮。前兩階振型見圖5、圖6。

圖5 一階振型

圖6 二階振型

前四階動力特性數值見表2，結果表明一階振型為豎向反對稱彎曲，施工中應重視對稱加載施工。

表2 動力特性

3.3 穩定性分析

采用特征值屈曲理論對系桿拱橋進行了穩定分析，其特征值屈曲荷載因子及其失穩模態見圖7。穩定性計算結果顯示，考慮恒載、活載、行車風等不利因素下，失穩模態為橫橋向反對稱側彎失穩，穩定系數為85.4，本橋具有較高的穩定系數。

圖7 一階失穩模態

4 結語

通過方案設計和受力計算驗證，采用帶鋼箱副拱鋼筋混凝土系桿拱橋組合體系既能夠滿足結構受力要求，也能促進橋梁景觀的提升，尤其適用于有景觀需求的城市橋梁。落藥河大橋建成后，為大沽河沿岸帶來了一道靚麗的風景線，成為區域地標性建筑。