大治河西樞紐二線船閘金魯公路橋主橋設計

甄羨超，田利勇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

大治河西樞紐二線船閘金魯公路橋主橋設計

甄羨超，田利勇

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061）

金魯公路橋主橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋。詳細論述主橋的總體設計、構造特點、結構設計和內力計算。采用空間有限元方法建立了主橋結構分析體系，通過不同荷載組合，分析了鋼管混凝土拱肋的應力和內力情況。結果表明，鋼管混凝土拱肋在承載狀態下，其應力分布合理，且強度滿足要求。考慮到該種結構存在車橋振動較大的問題，結構分析中著重計算了自振特性及抗震。最后結合該工程給出相關結論與建議。

鋼管混凝土拱橋；下承式拱橋；結構分析；穩定分析

1工程概況

大治河西樞紐是“大蘆線”大治河段西段入黃浦江航道的重要控制口門，為進一步提高“大蘆線”航運能力，擬在西樞紐南側新建二線船閘。船閘鄰近西樞紐水閘，實地開挖，中斷了現狀金魯公路。該橋設計主要為了重新連通金魯公路，橋梁建成后北側將與西樞紐水閘交通橋連接起來，南側直接與金魯公路銜接。橋梁主跨跨越新建船閘閘室。主跨上部結構為44.06m的下承式系桿拱橋，引橋為簡支空心板梁，橋梁總長238.17m。橋址場地地形平坦，地貌類型為濱海平原。

2設計標準

（1）荷載標準

汽車荷載：公路—Ⅱ級；

人群荷載：3.0kN/m2。

（2）橋面寬度

主橋：總橋寬15.6m；斷面布置：0.3m（人行道欄桿）+2.5m（人行道）+1.2m（吊桿保護帶）+0.3m（機動車道欄桿）+7m（機動車道）+0.3m（機動車道欄桿）+1.2m（吊桿保護帶）+2.5m（人行道）+0.3m（人行道欄桿）=15.6m。

15.6m寬引橋：0.3m（欄桿）+15m（機動車道）+ 0.3m（欄桿）=15.6m。

7.8m寬引橋：0.4m（欄桿）+7m（機動車道）+ 0.4m（欄桿）=7.8m。

3.1m寬梯道：0.3m（欄桿）+2.5m（人非混合道）+0.3m（欄桿）=3.1m。

（3）縱坡與橫坡

縱坡：主橋為平坡；北側引橋i=6.54%，南側引橋i=5.00%。

橫坡：機動車道設雙向1.5%，人非混合道設單向1.5%。

（4）地震基本烈度：按地震烈度7度設防，抗震設防類別為C類，抗震措施為7度。

（5）橋梁設計基準期：100 a。

（6）橋梁設計安全等級：主橋一級，構件重要系數為1.1；引橋為二級，構件重要系數為1.0。

（7）通航等級：三級航道，通航孔凈高為7m（按照全閘室斷面寬度控制）。

3　主橋設計

3.1橋型選擇

主橋跨越船閘閘室，北引橋與現狀西閘交通橋銜接，主橋梁底高程及縱坡所受限制大，推薦采用下承式鋼管混凝土系桿拱橋。鋼管混凝土橋結構性能優越，跨越能力大，結構體系靈活多樣，外形優美，因此倍受橋梁工程界青睞。系桿拱作為一種無推力拱，能夠很好地適應軟土地基。

初步設計階段考慮了下承式系桿拱橋和鋼-混凝土組合連續梁橋方案，綜合各方面的技術經濟比選，最后確定下承式系桿拱橋為推薦方案。表1為橋型方案比選表。

3.2總體布置

金魯公路橋南側與現狀金魯公路順接，北側與現狀節制閘閘上公路橋銜接。為了降低船閘運行與橋梁的相互影響，交通橋橋墩與閘墻分離，橋墩布置在閘墻后側。經布置，主橋橋長44.06 m，計算跨徑41.8 m。圖1為主橋橋型立面圖。

表1　金魯公路橋主橋方案綜合比較表

該工程受北側接坡長度限制，交通橋梁底高程不增加額外富余超高，按現狀設計通航水位可滿足Ⅲ級航道通航標準，但考慮到遠期外河黃浦江水情有趨高的趨勢，外河通航最高水位也可能出現抬升，為確保遠期船閘通航安全及減少廢棄工程，該工程交通橋主跨預留頂升的余地。

3.3橋面系

橋面系橫橋向寬度15.6 m，由橫梁、現澆橋面板、橋面鋪裝、欄桿等形成橋面體系。

橫梁包括中橫梁和端橫梁2種。中橫梁采用C50的預應力混凝土結構，中橫梁間距5 m，高度0.8 m，寬度0.7 m，按全預應力混凝土構件設計。拱腳設置強大的端橫梁，采用C50的預應力混凝土結構，橫梁寬1.97 m，高度1.8 m。橋面板厚0.20 m。由于橋梁縱坡較大，橋面鋪裝采用80 mm抗滑瀝青混凝土。

3.4拱圈、風撐、吊桿和系梁設計

全橋采用2個圓形截面鋼拱肋，每個拱肋直徑1.0 m，橫橋向豎直布置。全橋設三道風撐，采用“一”字形圓形鋼管風撐，風撐直徑0.6 m。

吊桿選用55Φ7低松弛鍍鋅鋼絲（標準強度fpk=1 670 MPa），錨具為LZM-55冷鑄錨具。

系梁為高1.0 m，寬1.0 m的實心矩形斷面，系梁內張拉預應力以平衡拱肋產生的水平推力。

3.5下部結構設計

主墩采用雙柱式橋墩，立柱直徑2.0 m，柱間設聯系梁，聯系梁高1.6 m，寬1.2 m；承臺呈實體長方體布置，整體長15.3 m，寬4.5 m，厚2.2 m；基礎采用10根樁徑1.0 m鉆孔灌注樁，樁長45 m。

圖1　主橋橋型立面圖（單位：mm）

4　結構計算與分析

4.1建立計算模型

該橋結構體系采用自錨式鋼管混凝土拱橋，以抗壓能力強的鋼管混凝土作為拱肋，以抗拉能力強的鋼絞線作為系桿，隨著結構重量的增加逐步張拉系桿以平衡拱肋所產生的巨大水平力，最終形成對拱座只有較小推力的拱橋［1，2］。總體來說，剛性拱柔性梁結構，其橋面剛度相比拱肋要小得多，拱肋為主要受力構件。

根據其受力特點，考慮主要方面（包括橋面系提供給兩邊拱肋的剛度及鋼筋混凝土內的預應力鋼筋等），對全橋結構進行簡化（如未考慮普通鋼筋的影響，橋面鋪裝按二期荷載加載等），通過MⅠDAS CⅠVⅠL（2013）建立主橋空間計算模型（見圖2）。主橋計算模型共劃分為387個節點、14個桁架單元（吊桿）和575個梁單元（拱肋、系梁、橫梁及虛擬縱梁）。

根據結構體系形成過程及施工方案，按施工步驟進行建模，考慮自重、二期恒載、溫度力、汽車荷載及人群荷載等在內的多種計算荷載，并考慮混凝土收縮徐變（包括鋼管內混凝土）的因素，按規范要求進行荷載組合。

圖2　主橋上部結構有限元計算模型

4.2上部結構靜力計算與分析

4.2.1拱肋驗算

鋼管在施工階段以及在使用階段彈性組合狀態下上、下緣的最大應力為-81.6 MPa，小于-270 MPa，且混凝土最大應力為-4.38 MPa，亦小于規范容許值-23.1 MPa，可見該橋拱圈鋼管混凝土在施工階段及運營階段應力均滿足要求。

由表2可以看出，該橋在運營階段N0/（γ0N）值均大于1，可見該橋在運營階段拱肋鋼管混凝土強度滿足要求。

表2　鋼管混凝土運營階段強度驗算表

4.2.2吊桿計算

該橋吊桿采用標準強度fpk=1 860 MPa的高強鋼絞線，吊桿型號為LZM7-55。計算結果表明，正常使用極限狀態吊桿最大應力為449.7 MPa，小于0.33倍高強鋼絲標準抗拉強度，即551.1 MPa，吊桿應力均滿足要求。

4.2.3系梁應力驗算

系梁在彈性階段全截面受壓，上緣最大壓應力為14.6 MPa，下緣最大壓應力為6.2 MPa。C50混凝土容許壓應力為23.1 MPa，故系梁應力滿足要求。

4.2.4撓度驗算

在施工階段及運營階段，拱圈最大下撓度為22 mm。拱形鋼結構最大豎向位移計算值不應超過其跨度的1/400。該橋拱圈跨徑為41.8 m，容許撓度為104.5 mm，富裕度較大。

4.3穩定性計算與分析

結構失穩是指結構在外力增加到某一量值時，穩定的平衡狀態開始喪失，稍有擾動則變形迅速增大，致使結構失去正常工作能力的現象。拱橋作為壓彎結構，穩定問題應該重視［3］，為此對成橋穩定進行了空間分析。通過求解結構特征值方法計算穩定系數，最終計算結果為：主橋在全部設計荷載作用下，安全系數為18.7＞4，為面外扭傾失穩形式，主橋穩定性滿足要求。

4.4動力特性計算與分析

運用MⅠDAS CⅠVⅠL（2013）對主橋建立整體結構模型，包括上部結構以及下部結構，準確模擬上、下部結構的質量分布。

使用分層文克爾土彈簧模型模擬樁基礎。將土層分層簡化為文克爾彈簧，假定樁土之間的相互作用力與深度和樁身水平位移的乘積成正比，將群樁基礎中的每排樁視為彈性地基梁，樁土之間的相互作用由彈簧對梁的水平彈性支撐來實現。據此可得：

式中：Ki為每層土彈簧的勁度系數；hi為每層土的厚度。

圖3　主橋動力分析有限元計算模型

4.4.1動力特性分析

為改善結構的動力特性，該橋設計加大了橋面系的剛度，拱肋之間設置橫撐。動力特性分析結果見表3。

表3　成橋狀態動力特性表

4.4.2地震作用分析

以下為該橋地震資料。

（1）場地特征周期Tg：0.35 s；

（2）橋梁類型：C類；

（3）設防烈度：7度設防；

（4）場地類別：2類。

采用地震加速度反應譜理論進行自震特性分析，并對拱肋各控制截面由地震作用所產生的效應與汽車荷載所產生的效應進行比較，結果見表4。

由表4對比可知，地震作用下對鋼管混凝土拱肋各控制截面產生的效應值均小于汽車荷載的效應值，因此地震作用不控制設計。

表4　地震作用及汽車荷載效應對比表

5　結語

（1）下承式系桿拱橋能使橋梁建筑高度盡量減小，在縱坡、梁底高程受限的情況下，是中、大跨徑橋梁較有競爭力的一種橋型。

（2）橋面系承受的荷載主要通過吊桿來傳遞到拱肋上，因此吊桿的防腐和維護是及其重要的，系桿拱橋應重視吊桿的防腐和防疲勞破壞設計。

（3）利用空間有限元建模分析橋梁，能夠建立較為完整、統一的橋梁結構分析體系，相對準確地反映橋梁結構的承載形態。由模態結果來看，金魯公路橋作為系桿拱橋，屬于較柔性結構，其橫向振動及穩定性問題較為突出，橋梁施工及運行維護時應當重視。

［1］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］ 范立礎.橋梁工程［M］. 北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 張建民，鄭皆連.拱橋穩定性研究與發展［J］.廣西交通科技，2000，25（增刊S1）：1-7.

U442.5

B

1009-7716（2015）05-0081-04

2015-01-06

甄羨超（1989-），男，廣東臺山人，助理工程師，從事道橋工程設計工作。