淄博孝婦河鋼箱系桿拱橋總體設計

陳 新，彭虹霖

（中鐵長江交通設計集團有限公司，重慶 401120）

擬建橋梁昆侖橋位于S510 泉王線，路面寬15～17 m。現有橋梁為漫水橋，修建于2008 年，目前橋梁上游河道已按照1/20 洪水標準治理完成，河道斷面底寬44 m，20 年一遇設計水位117.11 m。現狀橋梁泄洪能力不滿足河道防洪標準，橋梁墩臺基礎存在外露，缺乏安全防護措施，現狀橋梁荷載等級不滿足現行橋梁標準，本次擬將老橋拆除原址新建橋梁。

1 概述

為融入當地文化，新橋引入淄博春秋菱紋織物為設計元素，決定采用鋼箱系桿拱。橫斷面在兩側布置2～3 m變寬人行專用道，保障了行人通行安全，提高了行車通暢性。根據橋梁所處地形及現場環境，橋位的東北和西南方向各有一座人行步道橋，周圍空間通透，為保證觀景視線最佳，選用散索網狀吊桿體系。橋梁跨徑布置為（7.125+33.75+7.125）m，總長56 m，如圖1 所示。橋墩采用樁柱式橋墩，橋臺采用重力式橋臺樁基礎。

2 技術標準

設計車速：60 km/h。

設計車道數：雙向六車道。

橋面寬度：2～3 m（人行道）+1.5 m（吊桿區）+0.5 m（防撞護欄）+20.5 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+1.5 m（吊桿區）+2～3 m（人行道）=28.5～30.5 m。

汽車荷載等級：公路—Ⅰ級。

設計洪水頻率：1/20。

地震基本烈度：7 度；地震動峰值加速度動峰值加速度為0.1 g。

安全等級：一級。

3 主要材料參數

3.1 Q345qD

鋼主拱、鋼箱系桿、鋼橋面板和橫梁等主要受力構件均采用Q345qD 鋼材，其主要性能參數見表1、表2。

表1 鋼材強度設計值

表2 鋼材物理性能指標

3.2 Φ15.2 mm 環氧噴涂無黏結鋼絞線

主拱吊桿采用15 根Φ15.2 mm 環氧噴涂無黏結鋼絞線（fpk=1860MPa）纏包后外擠PE；索體外徑Φ105mm。

3.3 混凝土

下部結構柱式墩墩身、橋臺采用C35 混凝土，樁基礎采用C30 水下混凝土。

4 結構設計

4.1 拱肋設計

拱軸理論跨徑為33.75 m，計算矢高為6.75 m，矢跨比為1/5，理論拱軸線為二次拋物線。全橋共設兩榀鋼箱拱肋，拱肋截面為倒梯形，鋼箱內高1 200 mm，內頂寬1 500 mm，內底寬800 mm，拱肋頂、底及腹板壁厚為24 mm，壁板縱向加勁肋為200 mm×20 mm，隔板間距1 000～1 800 mm。主拱拱腳處設置H 型副拱，高400 mm，寬1 500 mm，豎板板厚為24 mm，水平板板厚為20 mm（圖2）。

為方便運輸及吊裝，每榀拱肋縱向劃分為3 個節段，拱肋節段間連接采用全焊接。

4.2 主梁及橋面板設計

系梁斷面采用帶雙邊箱的正交異性板結構，邊箱頂、底板水平設置，采用直腹板，邊箱內高1 200 mm，內寬1 500 mm。全橋邊箱內輪廓一致，底板、腹板加厚均向箱梁外側增加。

箱梁頂板采用正交異性板，板寬2 600 mm，板厚20 mm，翼緣及邊跨箱內均采用板式加勁肋。底板板厚為26 mm，腹板板厚為20 mm。系梁隔板間距分布為2.125 m 和2.25 m，垂直設置。

行車道板頂板為正交異性板，采用U 形加勁肋加勁，中心點及梁端拼縫處設置I 肋。頂板厚16 mm，寬20.4 m；端支點橫梁腹板厚度為24 mm，底板厚度為40 mm，底板寬度為800 mm；其余橫梁腹板厚度為14 mm，底板厚度為26 mm，底板寬度為600 mm。橫梁與邊箱外伸銜接段腹板等高，橋面橫坡通過腹板變高調節，腹板間隔1 200～1 800 mm 設置一道豎向加勁，橫梁間距同系梁隔板間距。

人行道板頂板位于邊箱外側，為板式加勁肋加勁正交異性板，頂板厚14 mm，板寬1 450～2 450 mm，人行道挑臂腹板厚12 mm，根部高度為600 mm，漸變至挑臂端部240 mm 高，挑臂底板厚16 mm，端300 mm。

為方便運輸及吊裝，每根系梁縱向劃分為3 個節段，車行橋面板縱向劃分為11 個節點，人行橋面板縱向劃分為3 個節段，除橫梁、頂板縱肋、挑梁腹板和底板采用栓接外，其余節段間連接采用全焊接（圖3）。

圖3 系桿構造圖

4.3 吊索設計

每榀拱肋設置8 根廠制吊索，為不影響橋型空間視野，吊索采用傾斜布置，間距6.75 m，如圖4 所示。經過多次試算，確定吊桿采用15 根Φ15.2 mm 環氧噴涂無黏結鋼絞線（fpk=1860MPa），公稱破斷索力為3906kN，具體結果驗算見表3。由于1#端吊桿長度較短（無應力長度為1.99 m），為不影響結構受力，1#吊桿改用Φ80 mm的鋼拉桿代替無黏結鋼絞線吊桿，破斷力3 946 kN，其余2#—4#吊桿繼續沿用鋼絞線。鋼拉桿相較于鋼絞線吊桿不再含有上錨頭、下錨頭、連接頭和調節桿等連接構件，在空間上適用于1#短吊桿。

表3 吊桿設計

圖4 吊桿構造圖

4.4 下部結構設計

0#、3#臺身高7.849 m（橋梁結構中心線），1#、2#墩采用圓形花瓶墩形式，圓墩直徑由2 m 漸變段過度，墩頂直徑2.2 m，墩底直徑1.6 m。樁基按照嵌巖樁設計，持力層為中風化泥巖，要求樁基嵌入中風化巖層有效深度大于等于7 倍樁徑，且巖石的天然單軸抗壓強度大于等于3.5 MPa。經過驗算，樁徑取1.8 m，樁長25 m，單樁設計承載力不小于11 830 kN。

5 結構分析

5.1 計算概述

結構計算采用MIDAS Civil 2021 建立三維有限元梁-板組合模型，按橋梁的實際施工過程進行模擬，對各施工及運營階段的主拱、主梁、吊索等進行受力分析和驗算，全橋結構的幾何模型如圖5 所示。斜拉索采用桁架單元，主拱采用空間梁單元。頂板加勁肋、主箱梁、橫梁、翼緣均采用梁單元模擬，頂板采用板單元模擬以便準確分布其頂板縱、橫向效應。

圖5 空間有限元模型

5.2 主要構件計算結果

5.2.1 拱、梁縱向應力驗算

靜力計算結果表明：承載能力極限狀態作用基本組合，主拱上緣最大正應力為107 MPa，主拱下緣最大正應力為119 MPa，主拱最大剪應力為26 MPa；副拱上緣最大正應力為96MPa，副拱下緣最大正應力為149MPa，副拱最大剪應力為14 MPa；鋼橋面板最大正應力為104 MPa；系梁最大正應力為153 MPa；各主要縱向受力構件均不大于270 MPa，縱向應力驗算滿足要求。

5.2.2 鋼橋面板應力計算

全橋鋼橋面板最大長度為47.9 m，最大寬度為30.5 m，長寬比為1.57，總體為雙向板受力。橋面板采用密橫梁體系，橫梁間距為2.25 m，根據計算：承載能力極限狀態作用基本組合，鋼橋面板最大縱向應力為105 MPa，最大橫向應力為183 MPa，如圖6—圖7 所示。鋼橋面板以橫向受力為主，橫梁最大應力為260MPa，橫向應力滿足規范要求。

圖6 橋面板縱向應力

圖7 橋面板橫向應力

5.2.3 剛度計算

根據計算結果：結構在靜活載作用下橫橋向最大豎向變形為38 mm，小于L/500=23 000/500=46 mm，跨中最大豎向變形為28 mm，小于L/500=33 750=67.5 mm。結構整體剛度滿足JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》第4.2.3 條的要求。

5.2.4 疲勞計算

上部結構主要受力構件均為鋼結構，且其對應的連接形式主要以焊接為主，因此由JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》第5.5.4 條規定對結構進行了疲勞驗算，在疲勞荷載Ⅰ的作用下，結構正應力幅和剪應力幅見表4。由計算可知：本橋各構件之間焊接設計可靠。

表4 疲勞驗算 MPa

5.2.5 抗震計算

根據橋位所在道路等級、交通量及重要性，對本項目進行抗震驗算。抗震設防標準按公路橋梁抗震設防類別中的C 類考慮，采用反應譜法對橋梁進行E1 和E2 地震作用分析。采用多重Ritz 向量法快速高效求解特征值。主橋的前5 階周期、頻率及振型描述見表5。

表5 結構固有特性

根據JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》對主橋采用反應譜法進行地震分析計算，驗算了主墩及樁基在恒+E2 地震作用下，主墩不屈服，主墩、樁基均能保持彈性狀態。地震力工況橋墩及樁基承載力驗算見表6。

6 施工要點

橋梁施工主要步驟：施工水中鋼棧橋，搭設施工鋼平臺；施工橋墩樁基礎和橋臺；施工墩柱，完成主梁支架搭設及預壓；安裝鋼主梁；搭設拱肋支架，拼裝主拱、副拱；主拱合龍后，拆除拱肋支撐支架；從中間往兩邊同時對稱張拉吊索；拆除主梁支架，施工二期及橋面附屬設施；調整吊桿力至設計成橋吊桿力。

7 結束語

本文對淄博昆侖橋的總體結構設計、計算及關鍵施工做了簡要介紹。針對本項目橫橋向跨度較大的受力特點，設計摒棄了傳統的預應力混凝土結構的設計，采用了密橫梁正交異性鋼橋面板鋼箱系桿拱橋。鋼箱系桿拱橋外形美觀、視野通透、受力明確，結構剛度大，能較好地適應與周邊環境的融合。此外，采用鋼橋結構能大大減輕上部結構的重量，對抗震有利。但由于受力桿件均為鋼結構，構造設計、拼裝精度、受力特點相對于混凝土結構都要復雜，重點體現在以受壓為主的拱肋的穩定問題、鋼構件之間焊接疲勞問題、吊索布置問題等。針對一系列鋼結構自身的復雜受力特點，設計通過強度計算、剛度計算、穩定計算和疲勞計算確保了鋼結構構件的安全性、耐久性。總體而言，橋型布置、結構尺寸擬定基本合理、結構輕盈，為今后同類橋梁結構設計提供了參考意義。