揚州江廣快速路連續鋼桁架拱橋設計及計算

鄢余文，孫一鳴

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

揚州江廣快速路是揚州市中心城區快速路網的重要一橫，是揚州主城區向東連接生態科技新城、江都區的快速通道，是市區與揚州東站高鐵樞紐的集散通道。

江廣快速路控制性工程——茱萸灣大橋跨Ⅱ級航道京杭大運河，主橋主跨140 m，橋面總寬53.2 m，布置雙向8 車道加人非車道。

大橋方案遵循“運河之城、時代巨輪、華美樂章”的設計理念。主橋采用下承式連續鋼桁架拱橋，整體造型似一艘巨輪，致敬揚州悠久的運河文化。本橋剛勁的桁架與附近萬福大橋柔性的主纜交相輝映、剛柔并濟。主橋三片曲線形的桁架拱，外形優美流暢、現代大方，配以炫麗的景觀亮化照明，譜寫華美樂章，為揚州增添新的城市景觀（見圖1）。

圖1 揚州江廣快速路茱萸灣大橋建成實景

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市快速路，設計車速80 km/h。

（2）設計荷載：汽車荷載采用城-A 級，人群荷載按《城市橋梁設計規范》計取。

（3）通航標準：京杭大運河為Ⅱ級航道，設計最高通航水位7.80 m，最低通航水位3.33 m，通航凈空尺度不應小于130.43 m×7.0 m（寬×高，矩形斷面）。

（4）抗震設防標準：抗震設防烈度7 度，水平向設計基本地震動加速度峰值0.15g；抗震設防類別乙類；抗震設防措施等級8 度。

（5）結構安全等級：一級，重要性系數1.1。

（6）設計基準期：100 a。

3 總體布置

3.1 立面布置

茱萸灣大橋的主橋為三跨42 m+140 m+42 m 連續下承式鋼桁架拱橋，采用柔性吊桿、組合橋面系。鋼桁架拱整體為弧形曲線，橋梁結構通過鋼桁架拱肋、橋面系和系桿構成無推力平衡體系（見圖2）。

圖2 茱萸灣大橋立面布置圖（單位：m）

3.2 橫斷面布置

主橋橫斷面整幅布置，鋼桁架橫向設3 片拱肋，邊拱肋寬度1.2 m，中拱肋寬度1.8 m。橋面車行道部分為雙向8 車道，兩側設置4 m 寬非機動車道和3.5 m寬人行道，橋面總寬53.2 m（見圖3）。

圖3 茱萸灣大橋橫斷面布置圖（單位：m）

4 結構設計

4.1 主桁架

主橋含三片鋼桁架拱肋，桁架之間設置5 道風撐。拱肋豎直，中心距2×22.45 m。桁架拱肋由上弦桿、下弦桿和腹桿組成[1]。

拱頂處上下弦桿豎向中心間距5.0 m。主墩頂處下弦桿與系梁相交于系梁中心，上弦桿中心與系梁中心豎向間距13 m。邊墩處主梁中心與上弦桿中心豎向間距5.0 m。

下弦桿采用二次拋物線，下矢高32.0 m，矢跨比為1∶4.375。上弦桿采用二次拋物線與圓曲線結合，上矢高37 m[2]。

桁架腹桿在中跨連接拱肋上下弦桿，在邊跨連接上弦桿和主梁。標準桁架節間長度為4.8m。腹桿分為直腹桿和斜腹桿，斜腹桿方向中跨與邊跨方向相反，并以主橋中心對稱，全橋呈密布N 型鋼桁架梁拱結構形式。

鋼桁架上下弦桿截面為箱型，中拱肋截面1.8 m×1.2 m（寬×高）、邊拱肋截面1.2 m×1.2 m。腹桿為工字型斷面，橫橋向尺寸與對應的弦桿一致便于連接。

鋼桁架在中跨設置5 道風撐連接三片拱肋，邊跨不設風撐。拱頂風撐為米字型布置，其余4 道風撐均為K 型布置，風撐截面均為工字型（見圖4）。

圖4 茱萸灣大橋桁架結構平面圖（單位：m）

4.2 橋面系

橋面系由系梁、小縱梁、中支點橫梁、邊支點橫梁和標準中橫梁組成梁格體系組成，并通過底鋼板與現澆混凝土板組合成鋼- 混凝土組合結構橋面系。

系梁與鋼桁架拱肋對應布置，共3 道，中心距2×22.45 m。中跨系梁與系桿一道參與平衡拱橋的水平分力。系梁為箱型斷面，中系梁尺寸為1 800 mm×1 800 mm（寬×高）、邊系梁尺寸為1 200 mm×1 800 mm（寬×高）。

橫梁包括標準中橫梁、中支點橫梁和邊支點橫梁，標準間距為3.2 m。標準中橫梁為工字型斷面，高度1 800 mm，翼緣寬度600 mm。

中支點橫梁為2 道箱型斷面，尺寸分別為2000mm×1 800 mm（寬×高）、1 800 mm×1 800 mm（寬×高），中間通過平聯連接形成整體。邊支點橫梁同樣為2道箱型斷面，尺寸分別為1 400 mm×1 800 mm（寬×高）、1 073 mm×1 800 mm（寬×高），中間通過平聯連接形成整體。

橫斷面上布置兩道小縱梁，采用工字型斷面，高800 mm，頂板寬600 mm、底板寬500 mm。

人行道布置在兩側拱肋外側，寬3.5 m（含欄桿）。由鋼挑梁、鋼縱梁和鋼蓋板組成。

茱萸灣大橋1/4 橋面系布置如圖5 所示。

圖5 茱萸灣大橋1/4 橋面系布置圖（單位：m）

4.3 組合橋面板

組合橋面板由底鋼板、帶孔鋼板（PBL 剪力鍵）、現澆混凝土、鋼筋和焊釘等組成。

組合橋面板與系梁不直接連接，主要支撐在橫梁和小縱梁上。底鋼板四邊焊接在橫梁、小縱梁的頂板上，厚度為8 mm。每個由橫梁、小縱梁形成的矩形格子間設置一塊底鋼板。

底鋼板上沿順橋向設置開孔板（見圖6），開孔板兼作底鋼板的加勁和組合橋面板的剪力鍵，其標準間距為400 mm；開孔板厚度為10 mm，高度為100 mm，開孔直徑為50 mm，開孔間距為100 mm。

圖6 組合橋面開孔板現場照片

現澆混凝土板的標準厚度為150 mm，在與橫梁和小縱梁連接處設置加腋，橋面板厚度增加至250 mm?；炷敛捎肅50 低收縮、高抗裂、高韌性的混雜纖維混凝土[3-4]。

剪力釘主要布置在橫梁、小縱梁頂面和承托處，采用φ22 mm 圓柱頭焊釘，高度200 mm，材料為ML15，剪力釘標準間距為200 mm×200 mm。

組合橋面板構造如圖7 所示。

圖7 組合橋面板構造圖（單位：mm）

4.4 吊桿和系桿

全橋在中跨對應拱肋共設置3 排吊桿，每排13根吊桿，吊桿間距為9.6 m。吊桿采用環氧鋼絞線，型號為25 股、31 股、43 股和55 股φs15.24 鋼絞線。吊桿采用整束擠壓錨固鋼絞線拉索體系，梁端和拱端均冷鑄錨，其中梁端為張拉端，設置球鉸以適應吊桿微小轉動。

為平衡拱肋水平推力，在中跨系梁內設置水平系桿，每個系梁內各設置4 根系桿，中系梁內系桿型號為37 股φs15.24 鋼絞線，邊系梁內系桿型號為19股φs15.24 鋼絞線。水平系桿索采用環氧鋼絞線，設計為可單根安裝、張拉和更換，并配套采用相應的錨固、轉向和分絲轉向裝置。

橋梁采用先拱后梁的施工方法。在施工過程中，設置臨時系桿，以平衡體系轉換前桁架拱的水平推力，每片拱肋設置2 根臨時系桿。

5 結構計算

5.1 整體靜力計算

（1）計算模型。主橋整體計算采用Midas Civil 進行空間有限元建模，桁架拱及橋面梁格體系采用梁單元模擬，組合橋面板采用雙層板單元，吊桿和系桿采用桁架單元。

（2）計算荷載。汽車荷載按城-A 級，人群荷載按2.4 kPa 考慮。梯度溫度按頂板升溫15℃，降溫7.5℃計算，風荷載取1.6 kPa。

（3）鋼結構強度驗算。結構安全系數取1.1，按規范要求的基本組合進行驗算，取最不利工況驗算結果。經驗算，鋼桁架拱肋弦桿最大壓應力230 MPa，位于中支點拱腳處；腹桿最大軸向壓應力106.8 MPa，位于邊拱肋1/4 跨處；系梁最大拉應力190 MPa，最大壓應力206 MPa，均滿足規范要求（見圖8 至圖10）。

圖8 鋼桁架拱肋弦桿正應力圖（單位：MP a）

圖9 鋼桁架拱肋腹桿正應力圖（單位：MP a）

圖10 鋼系梁正應力圖（單位：MP a）

（4）吊桿和系桿應力。 經驗算，中拱肋在1/4 拱跨處吊桿受力最大，最大吊桿應力為891 MPa，邊拱肋也是在1/4 拱跨處吊桿受力最大，最大吊桿應力778 MPa。

中系梁內系桿最大拉應力1 000 MPa，邊系梁內系桿最大拉應力928 MPa。

吊桿和系桿應力均小于規范規定的鋼絞線材料抗拉強度設計值。

5.2 動力分析

通過對主橋進行動力特性分析，成橋狀態下一階振型為主拱和主梁跨中豎彎，頻率為1.80（見圖11）；二階振型為主拱和主梁在1/4 跨反對稱豎彎，頻率為1.84。可見主橋具有良好的動力特性[5]。主橋前6 階典型自振頻率和振型特征見表1。

圖11 一階振型（對稱豎彎）

表1 主橋前6 階自振頻率

5.3 穩定分析

鋼桁架拱肋的桿件以受壓為主，其整體及局部穩定是設計的關鍵。

穩定計算的荷載考慮恒載、車道荷載、人群荷載和風荷載。采用未考慮初始缺陷的線彈性理論模型進行穩定分析，穩定系數不小于4.0[6]。

經計算，恒載作用下，拱肋穩定安全系數為18.1；恒載＋活載作用下，拱肋穩定安全系數為15.6，均滿足規范要求。一階失穩模態均為拱肋整體多波節面外失穩，如圖12 所示。

圖12 鋼桁架拱肋一階失穩模態

5.4 組合橋面板計算

鋼- 混凝土組合橋面板與混凝土疊合橋面板相比，提高了橋面板的抗彎能力，減小了混凝土板的厚度。同時，底鋼板作為澆筑混凝土的底模板，減小了模板的安裝和拆除，縮短了工期。

鋼- 混凝土組合橋面板采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，進行以下驗算。

（1）鋼- 混凝土組合橋面板的正截面抗彎承載能力。

經計算，橋面板支點彎矩71.5 kN，跨中彎矩51.1 kN，支點處最大剪力為96.2 kN，組合橋面板正彎矩抗彎承載力169.7 kN，大于51.1 kN，負彎矩承載力78.5 kN，大于71.5。

（2）斜截面抗剪承載能力。斜截面抗剪承載能力需要計算垂直于帶孔鋼板方向和平行于帶孔鋼板方向。垂直于帶孔鋼板方向是指橋面板截面的整體抗剪能力。平行于帶孔鋼板方向的斜截面抗剪承載能力主要由混凝土和底鋼板兩部分共同承擔。

a. 垂直于帶孔鋼板方向抗剪承載力。垂直于帶孔鋼板方向剪力作用范圍為：

因此取剪力作用范圍內的有效肋寬：

0.07 fcdWrh0= 193.18 kN＞1.3＞×Vs= 125.1 kN

b. 平行于帶孔鋼板方向抗剪承載力。平行于帶孔鋼板斜截面抗剪承載力主要由混凝土和底鋼板兩部分共同承擔，即：

（3）抗沖切承載能力。

沖切承載能力567 kN，遠大于輪載。

（4）帶孔鋼板剪力鍵的抗剪承載力。當帶孔鋼板內有貫穿鋼筋時，其承載能力為：

故帶孔鋼板剪力鍵抗剪承載力滿足要求[4]。

（5）裂縫寬度驗算。負彎矩區荷載準永久組合效應設計值為23.1 kN，頻遇組合的效應設計值為37.4 kN，鋼- 混凝土組合橋面板負彎矩區的縱向受拉鋼筋應力為48.3 MPa，裂縫寬度為0.026 mm。

6 結 語

（1）江廣快速路茱萸灣大橋采用三跨連續鋼桁架拱橋，總體布置與快速路功能和航道通航要求相適應，橋梁結構受力合理、造型流暢美觀，建成后已成為當地的標志建筑。

（2）鋼桁架拱在橫橋向采用3 片主桁拱肋，造型恢弘大氣，整體性好。但各片拱肋的結構受力、系桿水平推力、吊桿力等均不一致，需處理好各構件間的結構尺寸和受力協調關系。設計中一方面采用增大中拱肋、中系梁的截面尺寸，并提高中間排吊桿和系桿規格；另一方面加大中支點橫梁截面，以加強橋面橫向剛度，使得橋面系受力和橫橋向整體性得以滿足要求。

（3）橋面板采用鋼- 混凝土組合橋面板，具體為底鋼板上現澆150 mm 厚度的混凝土面板，有效提高了橋面板的剛度和耐久性，并減小了混凝土板厚度，降低結構自重。底鋼板作為澆筑混凝土的底模板，省去了模板的安裝和拆除，施工方便快捷。此外，底鋼板上設置開孔板，開孔板兼作底鋼板的加勁和組合橋面板的剪力鍵，與橋面剪力釘一道，加強鋼- 混凝土組合橋面板連接整體性。

（4）系梁內設置預應力系桿，平衡拱的推力，進一步減小橋面板的拉應力，提高結構耐久性。此外，在先拱后梁法的施工過程中，設置臨時系桿，以平衡體系轉換前桁架拱的水平推力。

（5）鋼桁架拱橋的桿件應力、橋梁整體穩定、吊桿和系桿應力、組合橋面板受力等是計算分析的關鍵。通過對相關內容的深入計算，均滿足規范要求，橋梁結構安全可靠、耐久適用。