大同市北環(huán)橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

吳用賢

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

大同市北環(huán)橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

吳用賢

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

重點介紹了山西省大同市連接新老城區(qū)的一座重要城市景觀橋梁——北環(huán)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方案。該橋主橋采用四跨連續(xù)拱梁協(xié)作體系，其中主跨采用兩跨連續(xù)空間三角形拱橋。橋梁造型結(jié)構(gòu)新穎、獨特，拱塔結(jié)構(gòu)采用非常規(guī)結(jié)構(gòu)的三角拱形式。通過靜力及穩(wěn)定分析，驗證了該設(shè)計方案的合理性以及安全性，可為同類橋型設(shè)計提供參考。

拱梁協(xié)作體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計；三角拱；大同市

1　設(shè)計概要

大同市北環(huán)橋是山西省大同市主城區(qū)北環(huán)路跨御河節(jié)點工程，是連接古城區(qū)和御東新城區(qū)的又一條重要通道。全橋采用不對稱三角拱結(jié)構(gòu)布置形式，方案構(gòu)思以五岳中的北岳恒山主峰——天峰嶺和翠屏峰為造型元素，其為恒山主峰的東西兩峰。兩峰對望，高低相伴，層次分明。采用兩跨不對稱斜拱形成新穎獨特的橋梁造型，好似一條飛龍跨越在御河之上，獨特的拱結(jié)構(gòu)給人自然流暢的視覺感受，舒緩、大氣，剛?cè)岵⑦M，通過結(jié)構(gòu)本身的力度來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的造型之美，簡潔、明快、挺拔、剛勁有力。其效果見圖1所示。

圖1　大同市北環(huán)橋效果圖

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

北環(huán)路御河橋主橋采用四跨連續(xù)拱梁協(xié)作體系，其中主跨采用兩跨連續(xù)空間三角形拱橋。橋梁造型結(jié)構(gòu)新穎、獨特，拱塔結(jié)構(gòu)采用非常規(guī)結(jié)構(gòu)的三角拱形式，橋梁造型為國內(nèi)首創(chuàng)。主橋跨徑布置28 m+70 m+130 m+28 m=256 m。兩側(cè)引橋采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁全長576 m。主橋橋型布置見圖2所示。

圖2　橋梁整體布置圖（單位：m）

鋼梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)，70 m次邊跨和130 m主跨，標(biāo)準(zhǔn)斷面全寬48 m，其中包括3.5 m挑臂+ 6 m主梁+29 m橫梁+6 m主梁+3.5 m挑臂。為與引橋銜接，邊跨縮窄至38 m，包括2.5 m挑臂+ 2 m主梁+29 m橫梁+2 m主梁+2.5 m挑臂。橫梁跨中（即道路中心線處）梁高為2.5 m，采用雙側(cè)2%橫坡。標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距3 m，橋面為正交異性橋面板［1］。

拱肋為內(nèi)傾三角拱結(jié)構(gòu)，內(nèi)傾角度73.84°。橋面以上副拱高度15.8 m，主拱高度54.8 m。主副拱交叉處拱腳至橋面高度為12.2 m。拱肋采用六邊形斷面形式，為保證拱梁之間傳力及拱頂?shù)鯒U的錨固，主副拱在P9墩及P11墩處拱梁固結(jié)區(qū)、拱頂均在六邊形截面基礎(chǔ)上增設(shè)縱向中腹板。

副拱采用PES7-109平行鋼絲吊桿，雙側(cè)共10根吊桿，梁上吊桿間距為6 m；主拱采用PES7-139平行鋼絲吊桿，雙側(cè)共20根吊桿，梁上吊桿間距為9 m。由于拱上錨固方式為集中錨固，因此主副拱吊桿索面均為扇形。全橋拱30根吊桿，抗拉強度1 670 MPa。吊桿安全系數(shù)為3.0。

主橋P10墩為拱腳固結(jié)墩，主、副拱肋拱腳通過埋置在承臺內(nèi)部的錨固架進行固定及傳力。承臺采用“回”字形，外側(cè)高度5.0 m，系梁高度為4.0 m，共設(shè)置36根直徑1.8 m鉆孔樁，樁長為65 m。P9、P11墩柱為保持與拱肋斷面協(xié)調(diào)一致，采用六面形斷面形式，上大下小，承臺高度為3 m，均采用鉆孔灌注摩擦樁，混凝土采用C30水下混凝土，配設(shè)直徑1.5 m鉆孔樁，每個承臺下各6根，樁長為54 m。

吊桿梁上錨固采用錨管形式。主梁在吊桿錨固點處，兩橫隔板之間區(qū)設(shè)計縱向隔板，通過錨管形式錨固于縱向隔板上。為保證張拉空間，主梁底板開張拉孔。傳力路徑為：吊桿→吊點縱向隔板→主梁橫隔板和頂板→主梁腹板。拱頂?shù)鯒U錨固節(jié)點中，拱肋底板開槽，中腹板伸出拱肋形成大耳板拱吊桿叉耳集中錨固。拱肋內(nèi)設(shè)置多道環(huán)向加勁，副拱環(huán)向加勁間距為1.15 m，主拱為1 m。傳力途徑為吊桿→大耳板（中腹板）→環(huán)向加勁→拱壁。

該橋設(shè)計的技術(shù)難點和關(guān)鍵點在于4個拱梁固結(jié)節(jié)點、2個拱頂集中錨固節(jié)點、拱腳節(jié)點。拱梁固結(jié)節(jié)點采用拱肋貫通、主梁斷開的結(jié)構(gòu)形式，主梁頂?shù)装濉M隔板均在拱肋內(nèi)設(shè)置對應(yīng)隔板，并在主梁內(nèi)外設(shè)置小加勁肋防止疲勞破壞。拱頂節(jié)點中，拱肋底板開槽，中腹板伸出拱肋形成大耳板拱吊桿叉耳集中錨固。拱腳節(jié)點中，設(shè)置豎向及水平大承壓板，主副拱分別截斷焊接于兩塊大承壓板上，最終通過水平承壓板將壓力傳至下部承臺，水平承壓板下部設(shè)置反力架，提供良好的傳力及抗震作用。圖3為橫斷面布置形式。

圖3　橫斷面布置形式（單位：m）

該橋鋼橋面采用的鋪裝體系為40 mm環(huán)氧瀝青混凝土（下面層）+40 mm SMA（上面層）。下面層采用環(huán)氧瀝青混凝土主要優(yōu)點體現(xiàn)在：強度高；高溫時抗流塑和永久變形能力很強，低溫抗裂性能很好；具有極好的抗疲勞性能；具有高度的抵抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力。上面層采用SMA主要優(yōu)點體現(xiàn)在：較好的耐磨性及抗滑性，經(jīng)濟性和施工便利性。主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置形式如圖4所示。

圖4　主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置（單位：m）

3　施工方案簡述

根據(jù)大同地區(qū)現(xiàn)狀及橋位處河床現(xiàn)狀為干枯河道的特點，施工方案的制定原則為：充分利用現(xiàn)狀河床干枯的條件，采用搭設(shè)少支架架設(shè)鋼梁，先梁后拱，梁上搭設(shè)臨時支墩采用汽車吊吊裝拱肋節(jié)段焊接成型的施工方案，結(jié)合該主橋的關(guān)鍵節(jié)點結(jié)構(gòu)特點并考慮運輸及吊裝能力，適當(dāng)控制構(gòu)件的規(guī)模、重量。

4　結(jié)構(gòu)計算

4.1主要技術(shù)參數(shù)

4.1.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設(shè)計車速：50 km/h。

（3）設(shè)計荷載：汽車荷載：城-A級；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）第10.0.5條規(guī)定選用。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級。

（6）地震基本烈度：7度，地震動峰值加速度0.15 g，設(shè)計特征周期0.35 s；橋梁抗震設(shè)防分類為丙類。

4.1.2主要設(shè)計荷載

（1）恒載：鋼梁容重按78.5 kN/m3考慮，部分加勁肋及橫隔板重量按荷載形式考慮；二期附屬結(jié)構(gòu)自重以荷載形式考慮。

（2）活載：汽車荷載按城-A級，8車道，人群及非機動車荷載取2.55 kN/m2。

（3）溫度荷載：體系升溫30℃，體系降溫-30℃；梯度溫度按英國《鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋》（BS5400）取值［2］。

（4）靜風(fēng)荷載：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）取用，設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速計算成橋按100 a一遇計，參與汽車荷載組合。

（5）沉降：各墩按2 cm沉降計。

4.2整體靜力計算

4.2.1計算模型

主橋縱向整體靜力計算采用Midas Civil 2013（V8.0.5），模型采用梁單元與板單元混合建模，將全橋離散為有限元模型：縱向邊箱采用閉口箱梁梁單元模型；橫梁采用工字型梁單元；橋面板為考慮U肋剛度的板單元；拱肋采用閉口六邊形梁單元，吊桿采用桁架單元。模型邊界條件處理：由于主墩P10墩臺剛度較大，在靜力計算中假定為偏安全的固結(jié)約束，對其他支座只設(shè)置豎向約束。計算結(jié)構(gòu)模型見圖5。

圖5　結(jié)構(gòu)計算模型

4.2.2計算結(jié)果

依據(jù)規(guī)范［3］要求考慮組合I及組合II。組合I:恒載+汽車+人群；組合II：恒載+汽車+人群+溫度荷載+風(fēng)荷載+沉降。經(jīng)計算，各構(gòu)件最大應(yīng)力見表1。

表1　桿件最大應(yīng)力匯總表　MPa

依據(jù)規(guī)范《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025-86）的規(guī)定：在組合I下，Q345的彎曲容許應(yīng)力為210 MPa，容許剪應(yīng)力為120 MPa，容許換算應(yīng)力為230 MPa；組合II下鋼材強度放大1.25倍。可知，主梁及拱肋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4.2.3橫梁計算結(jié)果

橋面系鋼橫梁計算采用橋梁博士V3.2.0進行，驗算間距3 m的工字橫梁，取拉索兩端為約束點，將橫梁簡化為簡支梁。橫梁跨中梁高為2.5 m，底板厚度為36 mm。經(jīng)計算，橫梁下緣最大應(yīng)力為170 MPa＜210 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.4穩(wěn)定計算結(jié)果

拱肋為壓彎構(gòu)件，應(yīng)計算桿件整體穩(wěn)定。計算中考慮恒載、汽車及人群荷載、橫向水平風(fēng)荷載的作用。經(jīng)計算，拱肋一階失穩(wěn)形態(tài)見圖6，為主拱拱肋自由段面外失穩(wěn)為主，穩(wěn)定系數(shù)為9.1，滿足規(guī)范安全系數(shù)為4.0的要求。

圖6　拱肋一階失穩(wěn)形態(tài)

該橋拱肋為直線三角形空間結(jié)構(gòu)，主拱橋面以上高度54.8 m，內(nèi)傾至拱頂通過橫撐相互連接，既美觀，又有效提高了拱肋穩(wěn)定性。

5　結(jié)語

本文介紹了一座主跨為130 m空間三角形拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過合理選擇結(jié)構(gòu)體系，布置結(jié)構(gòu)橫斷面形式，結(jié)構(gòu)傳力更為明確，構(gòu)造更為合理。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的全橋靜力及穩(wěn)定性分析，表明在各個施工階段和運營階段下，該橋各個構(gòu)件的受力均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

［1］吳沖.現(xiàn)代鋼橋（上）［M］.北京：人民交通出版社，2006.［2］BS 5400，鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋［S］.

［3］JTJ 025—86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

U442

B

1009-7716（2016）06-0076-03

2016-01-08

吳用賢（1983-），男，上海人，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。