廣州從化大橋136m拱梁組合結構設計與分析

王 鵬

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程概況

廣州市從化區(qū)修建的從化大橋，設計速度達到60km/h，采取雙向6車道的形式，兩側設置人行道和非機動車道。在主橋的設計結構中，選用了單跨136m下承式倒三角鋼管拱梁組合橋。

從化大橋以“流溪映月”為設計構思，有著獨特的造型設計，所采用的拱肋結構，外觀新穎簡潔，十分美觀，就像是皎潔的明月（見圖1）。橋上3根圓管組成的主拱支撐著全橋重量，拱肋間的聯結構件造型，體現了技術與藝術的完美結合。

圖1 從化大橋實景圖

2 結構構造

2.1 拱圈

拱圈由3根鋼管構成，呈現為倒三角形的構造，采用斜撐、橫撐的方式組成，造型十分新穎獨特，其斷面圖見圖2。

圖2 拱圈橫斷面圖（單位：cm）

主拱拱肋直徑1.8m，壁厚26mm，在拱內灌注C50微膨脹混凝土。在拱肋節(jié)段內部，沿著水平軸向設置環(huán)形加勁板，每間隔3m設置2道。加勁板均豎向設置，其位置與橫撐腹板位置對應，加勁板厚16mm。在主拱肋內部，沿著圓弧方向設置縱向加勁肋，每間隔45°設置1道，其中，板寬達到160mm，厚度為16mm。

副拱拱肋壁厚為22mm，直徑為1.5m。在拱內，灌注C50微膨脹混凝土。在副拱拱肋內部，沿著水平軸向設置環(huán)形加勁板，每間隔3m設置2道。加勁板均豎向設置，其位置與斜撐腹板位置對應，加勁板厚16mm。在副拱肋內部，沿著圓弧方向設置縱向加勁肋，每間隔60°設置1道，其中，板寬達到160mm，厚度為16mm。

從跨中斷面起，在主、副拱肋之間設置斜撐，間距為3m，共37對。斜撐為矩形斷面。在節(jié)點位置處，斜撐的截面尺寸達到60cm×50cm，其中，頂板厚16mm，腹板厚達到16mm。在2片副拱拱肋之間，采用對稱方式設置橫撐，間距為3m，共計設置37道。橫撐采用矩形斷面，截面尺寸與斜撐相同。

2.2 主梁

主梁為預應力混凝土箱梁結構，具有等高度的特點，整體式斷面。吊桿處主梁頂板全寬40m，寬跨比為1∶3.5；梁高3.5m，高跨比為1∶38.8，高寬比為1∶11.1。

通常情況下，主梁應用單箱多室魚腹式斷面，吊桿處箱梁頂板寬達到40m，而無吊桿處箱梁頂板寬達到37.8m，厚度為0.28m，橫向設置雙向2.0%的橫坡。箱梁底板平直段寬17.432m，利用1條圓弧線將邊腹板與底板連接起來，圓弧半徑為20.0m，底板厚0.22m。對于中腹板來說，指的是拱肋錨固區(qū)以及系桿布置區(qū)，因此，邊腹板厚度為0.6m，中腹板厚度為0.9m。在與吊桿相對應的位置處設置橫隔梁，每間隔6m設置1道，橫隔梁厚0.2m。橫隔梁之間3m間距處加設1道厚度為0.16m的小橫隔梁。

主梁橫斷面圖見圖3。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：cm）

在對箱梁進行設計的過程中，采用了縱、橫雙向預應力設計方式。縱向預應力采用22?s15.2預應力鋼絞線。橋面板橫向設置預應力鋼束，每間隔0.5m設置1根，靠近吊桿兩側為5?s15.2鋼束，遠離吊桿處配置4?s15.2鋼束。有斜吊桿段橫隔梁橫向配置2根4?s15.2和4根5?s15.2鋼束，無斜吊桿段橫隔梁配置2根5?s15.2和2根9?s15.2鋼束。端橫梁4m范圍內間隔0.4m配置預應力鋼束，頂板配置11根5?s15.2鋼束，底板配置7根4?s15.2鋼束。

2.3 吊桿

主拱設置的吊桿共計為19根，副拱共設13對吊桿，基于吊桿索體考慮，選用PES（FD）系列新型低應力防腐拉索。對于主拱吊桿索體來說，規(guī)格達到PES（FD）7-187，每個拉索均由187根?7mm鍍鋅高強度低松馳預應力鋼絲組成。對于副拱吊桿索體來說，其規(guī)格達到PES（FD）7-73，每個拉索均由73根?7mm鍍鋅高強度低松馳預應力鋼絲組成。吊桿順橋向間距為6m，在主梁與主拱拱肋內錨固，分別為張拉端與固定端。

3 分析模型

由于本橋結構型式特殊，必須采用空間有限元分析軟件對全橋結構進行分析。在進行計算時，應用了Midas/Civil軟件，結構計算參考設計圖紙的內容，以國家設計規(guī)范作為計算參數的標準依據。主梁采用空間梁格模擬[1]，將主梁劃分為5片縱梁和若干橫梁[2]。拱肋以及橫向連接桿件采取梁單元模擬的方式，拱肋采用鋼管混凝土材料。吊桿的分析則選用了桁架單元模擬方法。全橋共劃分為1326個單元，724個節(jié)點[3]。全橋三維實體計算模型見圖4。

圖4 全橋三維實體計算模型

施工過程為：先施工主墩、主梁，再安裝拱肋及吊桿；然后調整吊桿力，拆除滿堂支架；最后開展一些附屬工程，包括人行道以及鋪裝施工橋面等。

4 計算結果分析

4.1 靜力分析

4.1.1 主梁計算結果

主梁按全預應力構件設計，在長期效應組合主梁中，截面上緣所產生的最小正應力達到了-2.95MPa，截面下緣則達到了-3.53MPa，各個截面均未產生拉應力的現象。在短期效應組合主梁中，截面上緣所產生的最小正應力達到了-1.18MPa，截面下緣則達到了-0.46MPa，各個截面均未產生拉應力的現象。短期效應組合下，縱向主梁截面混凝土的主拉應力為1.01MPa。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTGD62—2004）（以下簡稱橋規(guī)），主梁的主拉應力應不大于0.40ftk=0.4×2.65=1.06MPa（式中ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值），因此滿足《橋規(guī)》要求。最大主拉應力出現在中間主梁與拱肋相交的位置，該位置應力失真，其余各截面主拉應力均較小。

根據計算結果，主梁活載最大撓度值為18.7mm。根據《橋規(guī)》，主梁在活載作用下的撓度應不超過計算跨徑的1/600×L=220mm，因此滿足《橋規(guī)》要求。

4.1.2 拱肋及橫、斜撐計算結果

拱肋按鋼管混凝土相關規(guī)范進行承載能力極限狀態(tài)及持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算。分別選取主拱及副拱拱頂、拱座以及彎矩最大截面進行驗算。拱肋按鋼管混凝土單圓管偏心受壓構件計算。拱肋強度計算結果見表1。

表1 拱肋強度計算結果

由于計算模型是適當簡化的，實際拱肋在主梁拱座上就已經截止，去除拱腳應力失真截面，其余截面最大應力為-164.83MPa。橫撐最大應力為-46.59MPa，斜撐最大應力為152.88MPa。根據相關規(guī)范，鋼結構的應力應不大于0.8fy（式中fy為鋼材強度標準值）。本橋鋼結構采用Q345鋼材，根據計算，其應力應不大于260MPa，因此滿足（《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)范》（GB50923—2013）要求。

4.1.3 吊桿計算結果

根據規(guī)范要求，吊桿的安全系數應不小于3。主拱吊桿的抗拉強度為12018kN。主拱吊桿內力計算結果見表2。

表2 主拱吊桿內力計算結果 kN

副拱吊桿的抗拉強度為4692kN。副拱吊桿內力計算結果見表3。

表3 副拱吊桿內力計算結果 kN

4.2 動力分析

自振特性反映振動系統的固有特性，是研究一切振動問題的基礎[4]。通過選用子空間迭代法，對全橋前30階自振特性進行計算，其中，迭代次數共計為20次。

全橋前5階自振頻率及振型見表4。

表4 全橋前5階自振頻率及振型

根據自振特性分析結果，采用了更多的振型參與動力計算；結構整體采用拱梁組合體系，1階頻率達到1.032Hz，結構整體剛度較大。

4.3 穩(wěn)定性分析

相關規(guī)范要求鋼管混凝土拱橋應進行空間穩(wěn)定性計算，彈性穩(wěn)定特征值不應小于4。主要采用以下分析方式：成橋狀態(tài)只有恒載；成橋狀態(tài)為恒載+城-A級活載。

經研究后發(fā)現，針對1階失穩(wěn)模態(tài)而言，可表示為橫橋向失穩(wěn)，基于恒載+城-A級活載的條件下，所產生的穩(wěn)定安全系數為5.143。所以，結構穩(wěn)定性是合理的，符合《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)范》要求。

穩(wěn)定安全系數和失穩(wěn)模態(tài)見表5。

表5 穩(wěn)定安全系數和失穩(wěn)模態(tài)

5 結 語

（1）本橋采用單跨的空間拱梁組合體系，外部為簡支的靜定結構體系，改善了支座不均勻沉降的問題。

（2）通過計算分析，本橋結構體系合理，各構件受力滿足規(guī)范的要求。由主拱、副拱以及橫撐、斜撐組成的空間異形拱結構具有良好的穩(wěn)定性。

（3）對于簡支梁與三角拱組合體系，由于梁的剛度較小，需要較大剛度的拱肋作為受力構件承受橋梁的荷載。

（4）吊桿張拉力對主梁及拱肋的受力影響較大。在滿足主梁受力要求的前提下，應盡量減小吊桿張拉力，從而有利于拱肋結構的受力和穩(wěn)定性。