景觀鋼箱圓弧拱橋設計與靜動力分析

甄玉杰，王 騰，顧瑋曄

（中建三局集團有限公司西北公司，陜西 西安 710065）

1 總體設計

1.1 總體布置

橋梁總長36.92 m，寬6.2 m，主梁面積228.9 m2。上部結構采用鋼結構，跨徑9.3 m+17.4 m+9.3 m。橋型總體布置圖如圖1 所示。本橋結構體系為三跨連續梁體系，上部鋼結構與墩臺采用支座連接。本橋技術標準為：人群荷載為3.47 kN/m2；車輛荷載為城-B級；地震設防烈度8 度，地震動峰值加速度為0.2g；橋梁設計基準期為100 a，設計安全等級為一級。

圖1 橋型總體布置示意（單位：cm）

1.2 上部結構設計

本橋上部結構采用9.3 m+17.4 m+9.3 m 三跨鋼箱拱橋。其中，結構受力主要由3 個600 mm×700 mm鋼箱梁組成，鋼箱梁之間采用橫向肋板連接，全橋除支點采用封閉箱室外，其余部分均采用無底板的開放截面設計，有利于減輕梁體自重，降低工程造價。鋼箱梁底板和腹板厚度14 mm，頂板12 mm，鋼箱梁和橋面板加勁肋厚度14 mm，橫隔板厚度12 mm。主橋主梁斷面如圖2 所示。

圖2 橋梁主梁斷面（單位：mm）

1.3 下部結構設計

橋墩采用鋼筋混凝土蓋梁柱式墩，蓋梁高400 mm，墩柱斷面尺寸為700 mm×700 mm，四邊均做150 mm×150 mm 倒角，使截面形成八邊形，同時在蓋梁下方0.5 m 處設置一道300 mm×400 mm 系梁。

橋臺采用鋼筋混凝土結構，臺帽尺寸為1.2 m×1.3 m×7.4 m，橋臺設3 根鉆孔灌注樁，樁基直徑0.8 m。樁基礎全部按摩擦樁設計。

1.4 建筑景觀設計

主梁鋼結構外側布置木龍骨（厚50 mm，寬80 mm），間距1500 mm，飾面采用80 mm×80 mm 天然防腐硬實木菠蘿格方條。橋墩外露處采用彩色硅酸鹽水泥仿石材表面。欄桿采用天然防腐硬木（紅色氟碳漆）。橋梁景觀效果圖如圖3 所示。

圖3 橋梁景觀效果圖

2 結構模型

對橋梁設計來說，選擇與建立最合適的模型，以及選擇最合適的分析類型，本身就是一項技術性與藝術性相結合的工作[1]。

主橋采用三跨鋼箱景觀圓弧拱橋，跨徑布置為9.3 m+17.4 m+9.3 m。全橋共分為189 個節點、316 個單元，其中梁單元244 個、板單元72 個。結構有限元模型如圖4 所示。

圖4 結構有限元模型示意

3 結構計算分析

3.1 橋墩計算結果

經計算分析表明，在承載能力極限狀態下，作用效應的組合設計最大值均小于構件承載力設計值，橋墩的抗彎、抗剪、抗扭承載力均滿足規范要求。

在正常使用極限狀態下，橋墩最大壓應力為-1.55 MPa，無拉應力，全截面處于受壓狀態。橋墩頂底緣壓應力均滿足規范要求。

3.2 剛度計算結果

鋼箱梁在活載作用下，豎向正撓度為18.55 mm，豎向負撓度為2.99 mm。汽車荷載作用下，主梁豎向計算正負撓度之和為21.54 mm，撓跨比為1/808，＜1/500，主梁剛度滿足規范要求[2]。活載作用下，鋼箱梁水平位移約7 mm，故本橋受力近似于梁式橋，水平推力很小。

3.3 鋼箱梁計算結果

鋼箱梁在運營階段最不利組合作用下的應力如圖5 所示。

圖5 鋼箱梁下緣組合應力包絡圖(單位:MP a）

在運營階段最不利組合作用下，鋼箱梁上緣最大組合應力為-68.3 MPa，下緣最大組合應力為178.5MPa。以上應力均小于容許應力，滿足規范要求。

4 穩定性計算

成橋運營階段，穩定性計算利用移動荷載追蹤器選取活載最不利的工況進行分析，考慮恒載、活載和風荷載作為屈曲荷載。

成橋運營階段前，三階屈曲模態和穩定系數見表1。

表1 運營階段穩定系數和屈曲模態

結構一階穩定系數為89.4，滿足規范要求。這說明結構的靜力穩定性是有保證的。

5 地震反應分析

5.1 自振特性分析

橋梁自振特性分析是研究橋梁振動問題的基礎。為了計算地震作用下結構的動力響應，必須首先計算橋梁結構的自振特性[3]。根據建立的動力計算模型，進行了結構自振特性分析，結構的自振頻率和振型特征見表2。

表2 成橋狀態自振頻率及振型一覽表

5.2 抗震反應分析

結構抗震分析采用反應譜方法。反應譜方法將動力問題靜力化，可以用較少的計算量獲得結構的最大反應值[4-5]。

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阻尼是結構非常重要的動力特性[6]，對于鋼結構橋梁，結構的阻尼比可取0.02。

根據工程地質勘察報告，該橋地震動峰值加速度為0.2g，基本烈度為8 度，場地類別為Ⅱ類，分區特征周期為0.4 s。

抗震分析采用多振型反應譜法，地震反應譜曲線如圖6 所示。

圖6 地震反應譜曲線

地震荷載組合采用SRSS 法，縱向和橫向地震作用計算時分別考慮65%的豎向作用。

根據公路橋梁抗震設計規范，E1 地震作用下，橋梁結構處于彈性狀態，計算采用軸力- 彎矩- 曲率曲線中的首次屈服彎矩進行控制。若E1 地震作用下塑性鉸區的彎矩小于首次屈服彎矩，就認為橋梁結構處于彈性狀態。

E1 地震作用下，橋墩縱向彎矩見表3。

表3 地震作用下橋墩最大彎矩 單位：kN·m

為了得到橋墩截面的首次屈服彎矩，需要繪制彎矩曲率曲線，混凝土材料采用mander 模型，鋼筋采用雙折線模型。以2 號橋墩為例，得到截面彎矩曲率曲線，如圖7 所示。

圖7 橋墩截面彎矩曲率曲線

由以上可見，在E1、E2 地震作用下，橋墩均處于彈性狀態。彈性抗震設計，用構件的強度作為衡量結構性能的指標，只需校核構件的強度是否滿足要求。經驗算，橋墩單元強度驗算滿足規范要求。

6 結語

本文以三跨鋼箱景觀圓弧拱橋為例，介紹了橋梁總體布置、上下部結構設計、建筑景觀設計。為驗證結構設計的合理性，利用大型有限元軟件對橋梁結構進行了靜力、穩定、特征值計算分析和兩階段抗震設計分析。

（1）主橋結構的剛度、強度、穩定性均滿足規范要求。

（2）在E1、E2 地震作用下，采用彎矩曲率曲線進行驗算，結構均處于彈性狀態，截面抗彎強度滿足要求。

（3）通過對該橋的設計、靜力、動力計算的介紹，可為同類景觀圓弧拱橋的設計提供借鑒和參考。