下承式復式鋼箱系桿拱梁組合結構穩定性分析

許柯松XU Ke-song

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司鄭州分院，鄭州 450000）

1 項目概況

橋梁跨越規劃三路（德民路東延線）、學院南路、桂畔海。左幅與規劃三路相交斜交角為56 度，右幅與規劃三路相交斜交角為84 度。與學院南路基本正交。為方便河道兩岸居民通行，橋梁設置人行梯道連接本橋人行道與規劃三路、學院南路人行道。主橋采用（2×30+90+2×30）m 五跨下承式復式鋼箱系桿拱梁組合橋。主梁截面形式采用單箱五室，底板寬度23.5m，頂寬34.5～44.57m 漸變，通過翼緣調整變化。

2 規范及標準

①道路等級：城市主干道。

②設計車速：40km/h。

③橋面寬度：主橋為整體一幅，橋面橫向寬度為34.5～55.0m，道路中部設1m 分隔帶，與雙側11.75m 車行道，雙外側布置5m 人行道，其余為拱肋區與拉索區。

④橋面橫坡：車行道雙向2%，人行道單向1.5%。

⑤設計荷載：城-A 級，人群荷載按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）取值[1]。

⑥整體升降溫：+25℃，-25℃。

⑦梯度溫度：橋面鋪裝為10cm 改性瀝青混凝土，豎向日照正溫差按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）取值[2]。

⑧設計基準期：100 年。

⑨設計安全等級：一級。

⑩設計環境類別：Ⅱ類。

3 總體布置

橋梁總體布置如圖1、圖2 所示。

圖1 立面圖（單位：m）

圖2 平面圖（單位：m）

3.1 上部結構

主橋為五跨下承式復式鋼箱系桿拱梁組合體系橋，跨徑布置為：（2×30+90+2×30）m，其中上部梁采用預應力變高梁，9#、10#號墩跨中截面對稱面位置梁高2.5m，在9#、10#墩頂兩側梁高按2.5m 至4.5m 變高。輔助墩側梁高按4.5m 至2.0m 變高，邊墩側等高2.0m，變化函數按二次函數變化。

主梁截面形式采用單箱五室，箱梁頂板厚0.28m，腹板厚度0.6～1.1m，底板厚度0.25m。7#和12#橋墩處的橫梁順橋向寬度為1.8m，8#～11# 橋墩處橫梁寬度3.0m，箱梁截面底面水平設計，梁頂橫坡通過不等高腹板設立。

橋梁順橋向間隔設置跨中隔板。邊跨側隔板距離為5m，根據受力需要，隔板按變高度設置，主跨側隔板按分布于吊點位置，間距同為6m，隔板端部高度隨橋寬進行變化。考慮景觀要求，在隔板外端設置裝飾措施，隔板在計算時考慮成集中荷載作用于橋上，對于裝飾材料則按二期荷載均布與橋面上。后期為方便檢修，中墩處橫梁及跨中隔板間均設置人洞。

結構吊點均設置于腹板和隔板交叉位置，根據受力需求，板厚取80cm。

蝴蝶兩主副拱拱腳設計成實心混凝土，拱身采用鋼結構，底座與縱梁澆筑成整體。拱腳底部設置受力支座，根據受力大小，選取球形鋼支座。

主橋采取3 階段支架現澆施工方式，9#墩左側11m至10#右側11m、共長112m 范圍內為0 號施工段。剩余邊跨為1 號施工段，拱結構部分為2 號施工段。施工時，先采用萬能杠桿臨時支架施工主拱，然后施工副拱。

主拱截面形式為倒梯形，上下總寬、高為2m、1.4m、1.8m，中心軸曲線按二次函數變化，主拱結構投影面矢跨比32.3358：90，面內矢跨比35：90，結構外傾22.5°。

副拱截面形式為倒梯形，上下總寬、高為1.4m、1m、1.4m，中心軸曲線按二次函數變化，副拱結構投影面矢跨比11.0865：150，面內矢跨比12：150，結構內傾22.5°。

主副拱與主梁均采用固結連接，連接處采用鋼混結合形式，主副拱結構與0 號段結合長度越2m。連接形式采用抗剪連接件形式，設計上為提高局部連接強度，拱腳底部設置縱橫交叉鋼束，以防后期拱身變形引起的開裂。

3.2 下部結構

主橋主墩采用整體柱式墩，橋墩墩型為圓端型，橋墩縱厚3m，橫橋向寬按24.8m 至28.786m 圓形變化。橋墩上部開橢圓形孔，橢圓的長軸長為10m，短軸長為5m。主墩承臺高度為4.5m，承臺底部尺寸為32×13.6×2.5m，頂部承臺為椎體型，椎體頂部截面尺寸25.8×4.0m，椎體底部截面尺寸為31.8×10m，椎體高度為2.0m。

橋墩采用C40 混凝土，承臺和樁基采用C35 混凝土。承臺下設置2m 厚的C20 封底混凝土，采用C15 素砼，且要求封底砼每邊長度比承臺寬出50cm。

所有的樁基礎均采用嵌巖樁基礎，采用機械成樁。樁基礎嵌入完整的中風化巖層深度不小于3 倍樁徑。（圖3）

圖3 9、10 號墩處橫斷面圖（單位：m）

4 主要材料

①混凝土：主梁、橋墩和承臺分別采用C50、C40 和C30 混凝土，樁基采用C30 水下混凝土[3]。

②普通鋼絞線：采用PC 高強度低松弛（Ⅱ級松弛）七股型鋼絞線。

③普通鋼筋：采用HPB300、HRB400 鋼筋。

④鋼材：采用Q345qC 鋼材，性能符合《橋梁用結構鋼》之規定[4]。

⑤系桿索：主拱、副拱系桿索采用鍍鋅鋼絞線[5]。

5 模型視圖

采用Civil 建立桿單元分析模型。結構中系桿索采用桁架單元，其余均采用梁單元。主墩及次邊墩采用承臺底部模擬地基剛度的形式加以約束，邊墩采用活動支座支承形式模擬。成橋狀態模型簡圖如圖4。

圖4 成橋狀態模型簡圖

6 屈曲穩定分析

穩定性在一定程度上決定了結構是否能夠正常運營，對于大跨度拱橋結構影響更甚。本橋采用的是五跨下承式復式鋼箱系桿拱梁組合結構，設計為支承體系結構。為了橋梁結構的美觀性，本橋采用的蝴蝶拱的造型，未設置橫撐結構，主拱及副拱的穩定性更是設計中的重中之重。采用Civil2020 建立整體計算模型，將恒載、部分車載和人群荷載以及風荷載[6]計入屈曲分析荷載項。屈曲模態分析結果如圖5、圖6 所示。

由圖5～圖6 可知，成橋階段副拱最小屈曲穩定系數5.887，主拱最小屈曲穩定系數為10.29，均滿足不小于4的規范要求，且明顯副拱先于主拱失穩，設計上應提高副拱剛度，盡量協調主、副拱剛度匹配，避免結構局部構件破壞形成不必要的損失。在考慮結構美觀性的同時，安全應是首要考慮的因素。

圖5 一階屈曲模態分析結果（副拱失穩）

圖6 四階屈曲模態分析結果（主拱失穩）

由于拱肋采用鋼箱型截面，相比于混凝土構件，壓屈局部穩定性較差，尤其是拱肋的面外穩定，受橫向力影響較大。以下通過在副拱上設置橫撐，研究橫撐對結構穩定性的影響。

由圖7～圖8 可知，設置橫撐后，成橋階段副拱最小屈曲穩定系數提高至15.48，主拱最小屈曲穩定系數為9.985，基本保持不變。從結果來看，設置橫撐對結構穩定影響較大，設計上可根據需要設置必要的橫撐。此外，橫撐設置位置有一定的選擇性，應根據需要在最先可能發生失穩的位置設置，盡量做到在考慮美觀性的同時，又能達到更經濟的實際意義。

圖7 一階屈曲模態分析結果（主拱失穩）

圖8 五階屈曲模態分析結果（副拱失穩）

7 結論及展望

近年來，鋼箱系桿拱在景觀橋梁設計方面應用越來越多，發展前景廣大，未來可期。拱肋作為主要的受力部分，在追求美觀性的同時，確保整體結構受力安全是首要因素。由于鋼箱系桿拱造型奇特，施工時受外部條件制約較多，對施工過程的穩定要求宜不可忽視。本文中鋼箱系桿拱構造形式具有很好的景觀效果，對于連接兩岸居民通行以及城市發展有很好的現實意義。本文主要利用有限元軟件分析了蝴蝶拱橋拱肋的穩定性，由分析結果證明了本橋結構體系滿足結構穩定性的要求；同時，表明了拱結構體系設置必要的橫撐對于結構屈曲穩定的提高有較大程度的影響。最后，望本文案例設計結果對類似橋梁結構的設計有一定的參考意義。