下承式簡支系桿拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳玉標(biāo)

摘要：在橋梁設(shè)計中，由于下承式簡支系桿拱橋具有橋面系主梁建筑高度低、造型優(yōu)美、跨越能力大、造價低等獨特的技術(shù)優(yōu)勢，常應(yīng)用于跨河流、路橋及市政景觀橋的設(shè)計中，尤其在跨度范圍50～300 m的城市道路、公路及鐵路橋梁中廣泛應(yīng)用。該文結(jié)合南京祿口新城如意湖大橋設(shè)計實際工程案例，對該工程橋梁的橋型方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的分析，可為今后該橋型的設(shè)計和施工提供一定借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：簡支系桿拱橋型方案精細(xì)化梁格模型結(jié)構(gòu)計算分析

中圖分類號：TU72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Structural Design of Through Simply Supported Tied Arch Hridge

WU Yubiao

（Nanjing Design Branch of Fanhua Construction Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province，210000 China）

Abstract： In bridge design， because the through simply supported tied arch bridge has the unique technical advantages of low building height， beautiful shape， large span capacity and low cost of the main beam of the bridge deck system， it is often used in the design of river crossing， road bridge and municipal landscape bridge， especially in urban roads， highways and railway bridges with a span of 50 ～ 300m. Based on the design of Ruyi Lake Bridge in Lukou new town， Nanjing， the analysis of the bridge type scheme， structural design scheme and structural calculation results of the bridge can provide some reference experience for the design and construction of the bridge type in the future.

Key Words： Simply supported tied arch; Bridge type scheme; Refined beam lattice model; Structural calculation and analysis

下承式簡支系桿拱橋是外部靜定結(jié)構(gòu)，屬于無水平推力拱橋，故兼具拱橋的較大跨越能力的特點和對地基條件適應(yīng)能力強(qiáng)的特點。同時具有優(yōu)美的造型和低廉的造價等優(yōu)點。自21世紀(jì)以來，該橋型技術(shù)在我國得到了飛速的發(fā)展。該文結(jié)合如意湖大橋的設(shè)計，介紹該橋的橋型方案選擇、構(gòu)造設(shè)計參數(shù)及對橋梁的施工和運營全過程的結(jié)構(gòu)計算分析，為同類橋型的設(shè)計提供參考。

1工程概況

如意湖大橋是南京祿口新城中心區(qū)規(guī)劃吳歌路跨越規(guī)劃如意湖的一座重要景觀橋梁，吳歌路道路等級為城市次干路，雙向六車道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度為40 km/h，橋梁全長約248.08 m，橋?qū)挒?0 m，無通航要求，但湖面要滿足通行游船、龍舟、航模等水面活動要求，湖面凈高不小于2.5 m。

2橋型方案設(shè)計

主跨110 m左右常見的橋型有連續(xù)梁橋、系桿拱橋、鋼桁架橋及部分斜拉橋等，考慮到該橋位于城市核心區(qū)位，橋型方案的選擇應(yīng)具備一定的標(biāo)志性和美觀性，則連續(xù)梁橋和鋼桁架橋這兩種橋型稍顯不足，故主要對系桿拱橋和部分斜拉橋這兩種橋型方案進(jìn)行全方位的比選，比選內(nèi)容詳見表1。

從城市空間關(guān)系的融合度、景觀性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比較，推薦采用方案一系桿拱橋[1]。

3橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1總體布置

如意湖大橋為65+110+65m=240m三跨簡支系桿拱橋，主跨系梁采用整體式鋼箱梁結(jié)構(gòu)，拱肋和拱腳均采用鋼箱結(jié)構(gòu);邊跨系梁采用雙邊箱預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，拱腳采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用板式墩，橋臺采用重力式橋臺，基礎(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)。

3.2系梁設(shè)計

3.2.1邊跨系梁

邊跨系梁采用雙邊箱預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斷面，雙邊箱橫向間中距25.5 m，橋面全寬40.0 m。

混凝土箱梁采用單箱雙室等高度形式，梁高2.2 m。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斷面采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系：箱梁縱向鋼束分為腹板束、頂板束和底板束。腹板束采用15股?S15.20鋼絞線，頂板束、底板束均采用12股?S15.20鋼絞線。支點橫梁鋼束均采用15股?S15.20鋼絞線，頂板橫向懸臂鋼束采用3股?S15.20鋼絞線，中間橫隔梁鋼束分別采用9股?S15.20鋼絞線[2]。

3.2.2中跨系梁

中跨系梁采用整體斷面鋼箱梁，鋼箱梁采用單箱多室截面，梁高2.2 m，頂、底板板厚分別為16 mm、28 mm、36 mm，邊腹板厚16 mm，側(cè)腹板板厚28 mm，中腹板板厚16 mm。鋼箱梁間隔2.7 m設(shè)置一道橫隔板。

3.3拱肋設(shè)計

邊跨和中跨拱肋理論計算跨徑分別為62.5 m和107.0 m，矢跨比分別為f/L=1/5和f/L=1/6.25，拱軸線均為二次拋物線。拱肋斷面均采用等寬變高箱型截面，邊跨拱肋高度為1.5～1.836 m，寬度為2.0 m;中跨拱肋高度為1.7～2.46 m，寬度為2.0 m。拱肋鋼箱頂、底板和腹板厚度均為32 mm。南、北各兩條拱肋分別位于各自的豎直平面內(nèi)，拱肋間無橫向聯(lián)接系[3]。

3.4吊桿設(shè)計

全橋共設(shè)置72對廠制吊桿，其中邊跨拱肋共設(shè)置40對吊桿，吊桿間距均為5.25 m，中跨拱肋共設(shè)置32對吊桿，吊桿間距為5.4 m。吊桿采用PES（FD）-7低應(yīng)力防腐成品索體，索體采用雙層HDPE防護(hù)。邊跨吊桿拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa的7～85絲的鍍鋅平行鋼絲束，破斷索力為5 463 kN;中跨吊桿拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa的7～73絲的鍍鋅平行鋼絲束，破斷索力為4 692 kN。吊桿均采用單端張拉，拱肋處為張拉端，系梁處為固定端[4]。

4主要施工方案

系桿拱橋的主要施工方法有原位支架先梁后拱法施工、無支架先拱后梁法施工、整體頂推法施工等。由于橋位處場地較平整且尚未開挖成湖，沒有管線及其他地下構(gòu)筑物影響，地質(zhì)條件較好，限制施工因素較少，綜合考慮施工方法的經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)可行性，擬在橋位處采用滿堂支架先梁后拱施工[5]。

5橋梁結(jié)構(gòu)計算分析

采用橋梁博士V4.2版軟件對本橋建立精細(xì)化梁格模型計算分析，計算內(nèi)容包括橋梁的施工和運營的全過程三維靜力分析、橋梁動力特性分析、橋梁整體穩(wěn)定性分析、疲勞分析，從而對橋梁整體到局部的各項內(nèi)容的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行把控。

5.1中跨鋼箱梁拱上部結(jié)構(gòu)計算分析

5.1.1主梁（系桿）結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

主梁承載能力極限狀態(tài)下最大正應(yīng)力42.38 MPa及最大剪應(yīng)力12.53 MPa，折算應(yīng)力為37.88 MPa。

主梁在汽車荷載和人非荷載作用下的最大豎向撓度為25.27 mm<220 mm（l/500）。

主梁在疲勞荷載作用下最大正應(yīng)力12.41 MPa及最大剪應(yīng)力2.26 MPa均小于規(guī)范容許值。

5.1.2拱肋結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

拱肋承載能力極限狀態(tài)下最大正應(yīng)力200.42 MPa及最大剪應(yīng)力23.34 MPa，折算應(yīng)力為89.61 MPa。

5.1.3吊桿強(qiáng)度計算結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)組合下最大吊桿力為1 451 kN，設(shè)計破斷索力為4 692 kN，吊桿最小安全系數(shù)為3.2大于2.5。吊桿最大疲勞應(yīng)力75 MPa。

5.1.4穩(wěn)定性分析

通過屈曲分析得到橋梁在最不利荷載下彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.01，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋側(cè)傾失穩(wěn)。

5.2邊跨預(yù)應(yīng)力砼箱梁拱上部結(jié)構(gòu)計算分析

5.2.1主梁（系桿）結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

在施工階段，主梁截面邊緣混凝土的最大壓應(yīng)力為12.28 MPa。構(gòu)件上下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力。在正常使用極限狀態(tài)下，對主梁按照A類構(gòu)件對各工況進(jìn)行正截面和斜截面混凝土的抗裂驗算：頂?shù)拙壸畲笳龖?yīng)力為11.88 Mpa，頂?shù)拙壸钚≌龖?yīng)力1.71 Mpa，最大主拉應(yīng)力為0.10 MPa。在使用階段對預(yù)應(yīng)力鋼束的最大拉應(yīng)力進(jìn)行驗算：所有鋼束應(yīng)力均小于容許值1 209 MPa。

主梁在汽車荷載和人非荷載作用下的最大位移24.225 mm<100 mm （l/600）。

5.2.2拱肋結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

拱肋承載能力極限狀態(tài)下最大正應(yīng)力201.34 MPa及最大剪應(yīng)力33.47 MPa，折算應(yīng)力最大為101.66 MPa。

5.2.3吊桿強(qiáng)度計算結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)組合下最大吊桿力為1 769 kN，設(shè)計破斷索力為5 463 kN，吊桿最小安全系數(shù)為3.1大于2.5。吊桿最大疲勞應(yīng)力81 MPa。

5.2.4穩(wěn)定性分析

通過屈曲分析得到橋梁在最不利荷載下彈性穩(wěn)定系數(shù)為17.18，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋側(cè)傾失穩(wěn)。

6設(shè)計體會

6.1合理矢跨比

本橋中跨矢跨比1/5，邊跨矢跨比1/6.25，通過計算對比分析，矢跨比越大，橋梁的穩(wěn)定性越弱，建議矢跨比取值在1/6～1/4左右，可以明顯增強(qiáng)橋梁的穩(wěn)定性，同時也會降低施工的難度[6]。

6.2拱肋與系桿抗彎剛度比

中跨EI（拱肋）/EI（系桿）=0.55，邊跨EI（拱肋）/EI（系桿）=0.3，均介于1/80～80之間，屬于剛性系桿剛性拱橋，拱肋與系桿均具備一定的抗彎剛度，荷載產(chǎn)生的彎矩在二者之間按抗彎剛度分配。適當(dāng)調(diào)整二者之間的剛度比例，不致使拱腳等構(gòu)件受力過于集中，充分發(fā)揮拱式組合體系橋梁的受力特性。

6.3橋型適用性強(qiáng)

由于剛性系桿剛性拱橋的拱肋與系桿均能承受彎矩和軸力，橋梁的整體剛度較大，適用于市政寬橋面這種設(shè)計荷載較大的橋型，同時施工方案的選擇余地較大，既可以采用原位滿堂支架法，又可以采用整體頂推法，能夠滿足不同施工場地條件的要求，施工期的安全性也易于保證[6]。

7 結(jié)語

該文通過對南京祿口新城如意湖大橋的中跨和邊跨兩個不同跨徑的下承式簡支系桿拱橋設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行介紹，并采用橋梁博士V4.2版軟件對本橋建立精細(xì)化梁格模型，通過結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果可知滿足橋梁設(shè)計和施工規(guī)范的要求，可為今后該型橋梁的設(shè)計和施工提供一定借鑒經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

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