雙層大跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋設(shè)計及受力分析

霍嘯蘇張 浩

（1.江蘇交科交通設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

面對當前城市大型越江跨河橋梁單層交通難以滿足交通流量的現(xiàn)狀，須在橋梁設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，對橋梁結(jié)構(gòu)及橋面交通布置進行創(chuàng)新設(shè)計。目前，雙層交通的市政橋梁能很好地滿足交通流量，順應(yīng)了城市發(fā)展的需要，應(yīng)用越來越廣泛。淮安市西安路京杭運河大橋?qū)匐p層大跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋，橋面寬、車道多、荷載重，具有雙層市政橋面的特殊性，為了總結(jié)其設(shè)計、建設(shè)經(jīng)驗，本文就該雙層拱橋的設(shè)計及受力進行分析，為相似橋梁建設(shè)提供參考。

1 項目概況及設(shè)計標準

西安路京杭運河大橋為淮安市快速路一期中的重要節(jié)點橋梁，位于西安路跨越京杭運河處，呈南北走向。京杭運河于淮安市境內(nèi)，為Ⅱ級航道，通航凈空110m×7m控制。快速路一期工程西安路上層高架及西安路輔路需在同一橋位處跨越京杭運河，且道路紅線受限，為減少占地，經(jīng)多方案比選后采用雙層橋面[1]。上層橋面總寬42m，城市快速路標準，下層橋面總寬43m，城市主干路標準。汽車荷載標準：城-A級。

2 橋梁構(gòu)造布置

2.1 總體設(shè)計

西安路京杭運河大橋主橋為雙層三跨連續(xù)鋼桁架系桿拱橋，為全焊整體式節(jié)點板桁結(jié)構(gòu)，跨徑布置（59+150+59）m[2]。橫橋向設(shè)置兩片主桁，主桁間距36.5m，主桁中心線高差8m，標準節(jié)間距9m。橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置圖

橋梁上層橋面為雙向八車道的城市快速路，下層為雙向六車道+兩條非機動車道的城市主干道。全橋為拱梁組合體系結(jié)構(gòu)，豎向荷載由主桁梁及拱圈共同承擔，全橋豎向荷載由主桁梁傳遞到支座。主橋結(jié)構(gòu)體系主要分為以下子結(jié)構(gòu)：鋼桁架拱、風撐、吊桿索、主桁梁、橋面系、附屬結(jié)構(gòu)。

主橋總體施工方案為先梁后拱[3]，其中中跨主桁采用63m的大節(jié)段吊裝方案（預(yù)留60m通航孔），邊跨主梁及橋面采用航道運輸?shù)綐蛭缓螅ㄟ^滑軌進行滑移就位的方式，主拱圈采用在已安裝好的主梁上搭設(shè)支架的方式進行拼裝的方案。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

邊墩處主橋和引橋共用承臺、樁基礎(chǔ)，承臺尺寸為44m×7m×2.5m，基礎(chǔ)采用18根D1.5m樁基，主橋邊墩立柱、下層引橋立柱、上層高架橋立柱均單獨支撐于承臺上。主橋邊墩立柱為兩個獨立矩形斷面，尺寸為2.6m×2.6m，設(shè)0.2m的圓倒角，橫橋向中心間距36.5m；下層引橋采用直墩（北側(cè)）或花瓶墩（南側(cè)），單個立柱尺寸為1.6m×1.3m;上層高架橋采用三根獨立墩柱，中間墩尺寸為2.2m×1.8m，兩側(cè)邊墩尺寸為1.8m×1.5m。主墩為矩形截面，尺寸5.0m×5.0m，設(shè)0.3m的圓倒角，橫橋向中心間距36.5m。主墩承臺采用啞鈴型，尺寸為46.5m×10m×3.5m，基礎(chǔ)采用22根D1.5m樁基。

2.3 拱圈、風撐

2.3.1 拱圈

橫橋向設(shè)兩片拱圈，拱圈由上下兩片拱肋組成的桁架拱體系，采用三角桁式，桿件采用全焊接連接。

下拱弦軸線為二次拋物線，跨度150m，矢高34m，矢跨比1/4.41，上拱軸線為樣條曲線，跨度218m，在拱頂最高點處，上軸線比下軸線高3.5m。上拱肋與下拱肋通過拱腹桿連接，上拱肋于邊跨附近與主桁梁上弦桿相連，拱腹桿的軸線匯于拱弦桿/主桁梁弦桿的幾何中心。每片桁拱共分為15個節(jié)段，包括：與主桁梁相連的起拱段（A7、A6），拱梁間節(jié)段A5、拱上節(jié)段（A4、A3、A2、A1）、合龍段A0，見圖2。

圖2 拱肋節(jié)段劃分圖

拱肋弦桿為八角箱型截面，標準尺寸為3m（橫）×2m（高），側(cè)高0.75m，側(cè)高1m。主要受力板厚12～40mm。A3拱節(jié)段含有從八邊形過渡為四邊形的部分，拱腳截面為四邊形截面，最后與鋼主桁節(jié)點G9相連。

拱內(nèi)中每隔2.5～4m，設(shè)置實腹式橫隔板，板厚16mm，部分實腹式橫隔板之間增設(shè)橫向加勁肋，板厚12～16mm，箱型拱腹桿內(nèi)設(shè)置1～2道實腹式橫隔板。工字型腹桿中間設(shè)置兩組對稱的腹板橫向加勁肋。

拱、拱腹桿內(nèi)的縱向加勁肋間距為500mm左右，厚度10～20mm，主拱圈不設(shè)置預(yù)拱度。

2.3.2 風撐

全橋共設(shè)置11道一字型風撐，跨度36.5m，采用尺寸1.5m（寬）×2.0m（高）的箱型截面。風撐位于拱肋弦桿中部，風撐內(nèi)每隔8m左右設(shè)置實腹式橫隔板一道，其間增設(shè)橫向加勁肋。下拱圈共布置6道橫撐，水平投影距離約18m左右；上拱圈布置5道橫撐，水平投影距離約18.7m；風撐頂?shù)装濉⒏拱寰捎?6mm鋼板。風撐沿自身平面內(nèi)高度方向設(shè)置10mm的預(yù)拱度。

2.4 吊桿

全橋共設(shè)13對柔性吊桿。柔性索型號為Φ7-127，采用雙層雙護層高密度聚乙烯護套的鍍鋅高強度平行鋼絲索（抗拉強度不小于1670MPa），每對吊桿橫橋向中心距為36.5m，上下端分別錨固在主拱和主梁節(jié)點橫隔板所連接的吊耳處，考慮到施工張拉及日后換索的需要，采用梁上張拉的方式。

2.5 鋼桁梁

連續(xù)鋼桁梁長度為59+150+59=268m，在邊墩及主墩下弦節(jié)點處設(shè)置支座，主跨內(nèi)吊桿索作為鋼主梁的彈性支撐[4]。鋼桁梁主要由下列構(gòu)件單元組成：主桁梁（含上下主弦桿、腹桿、整體節(jié)點）、橋面系單元（主橫梁、副橫梁、橋面板、U肋、小縱梁、人行道挑臂板、檢修道挑臂版）組成，采用全焊接的連接方式[5]。

2.5.1 主桁梁

主桁梁為全橋最重要的受力桿件，橫橋向兩片拱，中心間距36.5m。上下弦桿幾何中心高差8m，采用三角桁式，標準段弦桿與斜腹桿的夾角為60°左右。

主桁梁包含上下弦桿、腹桿、整體式節(jié)點。每片主桁分為15個節(jié)段，最長節(jié)段為中跨吊裝段-Z0節(jié)段，長約67.5m，高10m，寬約1.9m，重約500t，鋼結(jié)構(gòu)制作單位需整體制作運輸至現(xiàn)場，利用浮吊整體吊裝。

上下弦桿斷面為矩形，高2m，寬1.5m，在拱梁結(jié)合段上下節(jié)點附近，弦桿寬度變化為3m，由1個箱式變化為3個箱式。弦桿頂、底板、腹板厚度20～50mm。

主桁梁腹桿為矩形截面，橫橋向?qū)?.5m，順橋向1.25m，中支點附近隨著弦桿長度的變化，腹桿變化成橫橋向3m，順橋向2m和1.25m兩種，邊墩處的端腹桿橫橋向1.5m，順橋向1.5m。腹桿板厚20～50mm。

主桁梁采用整體式焊接節(jié)點，整體節(jié)點之內(nèi)采用板件對其傳力，節(jié)點板起到應(yīng)力擴散作用，且整體節(jié)點板需采用整塊鋼板切割成型，所有桿件的對齊方式均采用外表面對齊。

邊支點附近和中支點附近主桁梁各灌入C25微膨脹混凝土，灌注混凝土起到加強剛度作用。

主桁梁需設(shè)置預(yù)拱度，跨中處預(yù)拱度為10cm，邊跨及主墩處預(yù)拱度為零。

2.5.2 橋面系

橋面系由帶U肋的正交異性橋面板、橫梁、人行道挑臂、檢修道挑臂組成，橋面系于橋面中心線處上拱15mm。

（1）標準的正交異性板塊長度約9m，橫橋向分段數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工需要調(diào)整，整體線型隨弦桿頂面變化。整個板塊由板厚16mm的橋面板、縱向“U肋”、板肋和小縱梁組成。“U肋”橫距為300mm，高度280mm，厚度8mm；局部橋面板由板肋加勁，厚度16mm，高200mm。小縱梁為倒“T”形，橫向的間距為6.9m左右，高度1500mm，腹板厚度12mm，底板寬度280mm，厚12mm，上下層各設(shè)4道小縱梁。

（2）橫梁板塊包含主橫梁、副橫梁、結(jié)合段橫梁、端橫梁等四種類型。

主橫梁位于主桁梁節(jié)點處，采用閉口箱型橫梁，跨度約36.5m，高度2～2.365m，平均間距約9m，寬度約2.55m。底板厚16mm，腹板厚12mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。

副橫梁位于主桁梁弦桿之間，采用倒“T”型橫梁，跨度約36.5m，高度2～2.365m，平均間距約9m，底寬0.5m。底板厚20mm，腹板厚20mm。小縱梁于副橫梁對應(yīng)位置截斷并焊接在副橫梁上，其間增設(shè)橫向加勁肋與水平加勁肋，水平加勁肋于橫向加勁肋相交處斷開。

結(jié)合段橫梁位于拱梁結(jié)合節(jié)點處，采用閉口箱型三室橫梁，跨度36.5m，高度2～2.365m，全橋設(shè)四道，寬度5.53m/5.21m。腹板厚12mm，底板厚16mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。

端橫梁位于邊跨端節(jié)點附近，采用閉口箱型橫梁，跨度36.5m，高度2～2.365m，全橋共四道，寬度1.5m。底板厚40mm，腹板厚20mm。橫梁內(nèi)與小縱梁對應(yīng)位置設(shè)置橫隔板，橫隔板之間設(shè)置橫向加勁肋，加勁肋間距1.2～1.95m。端橫梁內(nèi)灌注C25微膨脹混凝土。

（3）人行道及檢修道挑臂板由帶加勁肋鋼板與挑臂橫梁組成。人行道板采用10mm厚的鋼板，下設(shè)一字肋，間距約300mm，厚度10mm。挑臂橫梁采用倒“T”型斷面，對應(yīng)主、副橫梁的腹板，腹板厚10mm，底板厚12mm，寬300mm。

3 結(jié)構(gòu)受力計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

主橋為59+150+59m三跨雙層桁架拱橋。主橋結(jié)構(gòu)空間靜力計算采用MIDAS civil 2012程序建立三維有限元模型進行計算。主梁和主拱桁架采用梁單元模擬，拱肋桁架上弦桿和主梁桁架上弦桿間連接采用板單元。橋面系簡化成縱橫梁梁格體系，吊桿采用索單元模擬，截面按照初步設(shè)計文件計入，按橋設(shè)計文件推薦采用的施工過程進行模擬，全橋共計采用2013個節(jié)點，3280個單元。主橋結(jié)構(gòu)離散如圖3所示。

圖3 全橋計算模型

3.2 主要構(gòu)件受力計算結(jié)果

限于篇幅，本文僅列出部分主要構(gòu)件計算結(jié)果，如圖4、圖5所示。由計算結(jié)果可知，在基本組合應(yīng)力作用下，各主要構(gòu)件強度滿足規(guī)范要求；活載作用下跨中撓度最大約為25mm，故汽車活載產(chǎn)生的撓度為25mm，＜300mm，滿足規(guī)范要求，如圖6所示。

圖4 主拱上弦桿截面上緣基本組合最大應(yīng)力

圖5 主梁桁架下弦桿截面下緣基本組合最大應(yīng)力

圖6 活載最大豎向撓度計算（單位：mm）

4 結(jié)束語

歷時3年，西安路京杭運河大橋順利建成并通車，作為淮安橋梁史上的第一座雙層橋梁，本橋的設(shè)計具有重要的借鑒意義。

（1）對于多車道雙層重載橋梁，可以優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)，以達到輕質(zhì)高強的工作性能。

（2）對于跨河段橋梁，且周邊地塊受限時，可以選擇主輔路雙層布置的橋梁進行跨越，以減少征拆規(guī)模，節(jié)省造價。

（3）針對本類跨越重要航道的橋梁，設(shè)計時需綜合考慮施工方案的合理性，充分利用航道的性能，采用設(shè)置滑道支架、浮吊大節(jié)段吊裝等施工方案。