朔州市安泰街大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

丁文俊

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

朔州市安泰街大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

丁文俊

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

重點介紹了山西省朔州市安泰街跨七里河的一座重要城市景觀橋梁-安泰街大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析。該橋主橋采用三跨桁架拱梁組合體系，主拱采用內(nèi)傾式無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)，斜拉索扇形布置，橋梁造型新穎美觀。通過靜力、穩(wěn)定和疲勞計算分析，驗證了該設(shè)計方案的合理性及安全性，可為同類橋型設(shè)計提供參考。

拱梁組合體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計；計算分析；內(nèi)傾式無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)

1 設(shè)計概要

安泰街橋是山西省朔州市七里河景觀改造工程的重要節(jié)點，是七里河休閑公園與北部新城區(qū)連接的紐帶，也是未來交通量和人群較為密集的區(qū)域。根據(jù)七里河橋梁群規(guī)劃設(shè)計，安泰街橋位于整個橋梁群核心位置，橋梁設(shè)計方案應(yīng)采用具有一定體量且具有較為新穎的橋梁造型作為整個城市的地標。

橋型方案采用桁架拱梁組合體系，拱肋為上下兩片，用桁架連接為一體，形成鏤空的拱肋空間，結(jié)合扇形拉索、現(xiàn)代感十足的拱肋線條，猶如一幅獨特的時尚空間剪紙畫，將成為朔州市七里河上的一大亮點與標志。其效果圖見圖1所示。

圖1 朔州市安泰街橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

安泰街橋主橋采用三跨連續(xù)中承式鋼桁拱梁組合體系，主拱為內(nèi)傾式無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)，橋梁造型新穎、美觀，主橋跨徑布置40.0 m+128.0 m+40.0 m =208.0 m，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，西側(cè)引橋跨徑布置為3×30 m=90 m，東側(cè)引橋跨徑布置為4×30 m=120 m。橋型布置見圖2所示。

圖2 橋梁總體立面布置圖（單位：m）

主橋總寬44.5 m，主橋斷面布置為3.0 m拱肋吊桿區(qū)+3.25 m人行道+4 m非機動車道+0.5 m綠化帶+23 m機動車道+4 m非機動車道+0.5 m綠化帶+3.25m人行道+3.0m拱肋吊桿區(qū)=44.5m。圖3為橋梁標準橫斷面。

圖3 主橋標準橫斷面布置圖（單位：m）

主橋拱肋為內(nèi)傾拱肋，傾斜角度為10°。拱肋包括中拱肋、邊拱肋和副拱肋。根據(jù)景觀特點，中拱肋與副拱肋拱軸線采用樣條曲線，邊拱肋采用圓曲線。在拱肋平面內(nèi)，中拱肋拱軸線矢高32.0 m，橋面以上拱肋高19.757 m，中拱跨徑128.0 m，邊拱肋拱軸線矢高9.5 m，跨徑為40.0 m，副拱根據(jù)控制點采用樣條曲線進行擬合。中拱肋截面采用箱形截面，中拱肋截面高度為1.759～2.327 m，寬度為2.2m。副拱采用箱形截面，截面高度為1.5m，截面寬度為2.2 m。中拱肋與副拱肋在拱頂形成一個整體箱形斷面。邊拱肋截面采用箱形截面，拱腳端拱肋截面高度為2.54 m，寬度為2.2 m，拱頂端截面高度為1.8 m，寬度為2.2 m。邊拱肋與副拱肋在橋梁端部形成整體箱形斷面。邊拱肋、中拱肋在中支點處采用箱型腹桿連接，截面高2.2 mm，寬1.3m，其他腹桿均采用王字型截面，截面高2.2m，翼緣寬0.8～1.0 m。

橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板板厚為16 mm，加勁肋采用U型加勁肋。跨中橋面荷載由橫梁傳遞到系梁上，跨中橫梁間距為6.0 m，橫梁之間設(shè)置一道橫向加勁肋，橫梁采用工字型截面，截面高度由1.832 m漸變到3.0 m。

主梁與拱肋相交處設(shè)置中間橫梁，中間橫梁采用箱形截面，截面寬度為3.55 m，截面高度由1.8 m漸變到2.097 m。

墩頂橫梁采用桁架式門架結(jié)構(gòu)，所有桿件均采用箱形截面，橫梁腹板間距為1.175 m，截面高度由1.502 m漸變?yōu)?.8 m。其余中間橫梁采用工字型截面，截面高度分別為3.0～4.2 m。端橫梁采用箱形截面，截面腹板間距為2.0 m，截面高度由1.93 m漸變到2.5 m，內(nèi)部設(shè)置壓重混凝土，壓重混凝土總重不小于450 t。

橫梁間共設(shè)置三道小縱梁，縱梁截面采用工字型截面，截面高度為1.2 m，在中間橫梁、墩頂橫梁和端橫梁處分別漸變?yōu)?.8 m、2.2 m和2.5 m。

主橋共設(shè)置15對吊桿，吊桿成扇形布置，系梁上吊桿間距為6.0 m，拱肋上吊桿間距為3.0 m。吊桿安全系數(shù)為3.0，拉索設(shè)置365 mm橫向偏心。拱肋與系梁內(nèi)吊桿均為錨固端，在吊桿中間進行張拉，拱肋內(nèi)吊桿錨頭采用熱鑄錨具，錨固結(jié)構(gòu)采用耳板的結(jié)構(gòu)形式。錨固結(jié)構(gòu)的傳力路徑為：吊桿→中間豎向耳板→拱肋T型加勁肋→橫隔板→拱肋腹板。系梁處吊桿錨頭采用熱鑄錨具，錨固結(jié)構(gòu)采用耳板的結(jié)構(gòu)形式。錨固結(jié)構(gòu)的傳力路徑為：吊桿→中間豎向耳板→橫隔板→系梁腹板。

主橋拱座采用橢圓形變截面拱座，拱座頂截面尺寸為4.5 m×7.5 m，拱座底尺寸為6.0 m× 9.0 m，拱座高2.5 m，拱座下設(shè)置矩形承臺，承臺高3.0 m，承臺長15.5m，寬11.5 m。承臺下采用12根直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁。

主橋鋼橋面鋪裝采用70 mm厚的瀝青鋪裝，鋪裝結(jié)構(gòu)為50 mm厚SMA10+20 mm厚R A05+ E B C L層。

該橋的主要技術(shù)難點和關(guān)鍵點在于拱肋為內(nèi)傾式無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)、拱肋和系梁及橫梁相交節(jié)點，中邊拱肋和腹桿相交節(jié)點。主橋采用無推力結(jié)構(gòu)，主墩處設(shè)置支座，由于拱肋為內(nèi)傾式無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)，因此主橋在荷載作用下橫向位移較大且整體穩(wěn)定性較差。設(shè)計在主墩處設(shè)置桁架式橫向門架（見圖4），增加了主橋的橫向剛度和整體穩(wěn)定性，從而達到設(shè)計要求。拱肋和系梁及橫梁相交節(jié)點處，設(shè)計保證系梁和拱肋的整體節(jié)點板連通，中間箱型橫梁端焊與拱肋系梁內(nèi)側(cè)節(jié)點板上，焊縫采用全熔透外貼角焊縫以保證有足夠的強度和疲勞性能。中邊拱肋和腹桿相交節(jié)點處，設(shè)計將中邊拱肋和腹桿的腹板組成整體節(jié)點板，腹桿側(cè)板貫通端承于支承板上，拱肋頂?shù)装宸謩e端焊于腹桿側(cè)板，側(cè)板設(shè)置加勁與拱肋頂?shù)装鍖敚黾痈箺U側(cè)板面外剛度。

圖4 墩頂拱間桁架式門架設(shè)計圖（單位：m）

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1 設(shè)計標準

（1）道路等級：城市次干路；

（2）設(shè)計速度：40 km/h；

（3）設(shè)計荷載：城-A級，人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）[1]第10.0.5條規(guī)定選用；

（4）設(shè)計基準期和設(shè)計安全等級：

設(shè)計基準期：100 a；

設(shè)計使用年限：100 a；

設(shè)計安全等級：一級，γ0＝1.1；

（5）抗震等級：地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度為0.15 g，設(shè)計特征周期為0.55 s，橋梁抗震設(shè)防分類為乙類；

（6）百年一遇基本風(fēng)速：32.6 m/s。

3.1.2 主要設(shè)計荷載

（1）一期恒載包括：主拱、主梁、拱座和承臺自重，結(jié)構(gòu)根據(jù)截面自動計入重量，鋼結(jié)構(gòu)橫隔板及加勁肋按鋼結(jié)構(gòu)自重的20%計入，鋼材材料容重為78.5 k N/m3，混凝土材料容重為26 k N/m3，端橫梁內(nèi)填充壓重混凝土，壓重混凝土等效集度為130k N/m。

（2）二期恒載：瀝青混凝土容重為23 k N/m3；防撞欄：10 k N/m/側(cè)，人行道：20k N/m/側(cè)。

（3）活載：雙向6車道，采用空間加載，車道折減系數(shù)及沖擊系數(shù)自動計入；人群荷載集度為2.85 k N/m2。

（4）靜風(fēng)荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（J T G D60-2015）[2]取用，百年一遇基本風(fēng)速為32.6 m/s。

（5）邊支座沉降按15mm計入，中支座按30mm計入。

（6）鋼結(jié)構(gòu)的整體升降溫：體系升溫：30℃，體系降溫：40℃；鋼梁梯度升降溫按照歐洲規(guī)范1991-1-5[3]取值，如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)梯度溫度圖示

3.1.3 主要荷載組合

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（J T G-D64-2015）[4]，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需按承載能力極限狀態(tài)驗算強度和穩(wěn)定性；作用組合效應(yīng)設(shè)計值按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（J T G-D60-2015）[2]規(guī)定取值。

3.2 靜力計算分析

3.2.1 計算模型

主橋靜力計算模型采用M id a s/C i v i l2012 V8. 0.5建立。拱肋、橫梁、縱梁及腹桿采用梁單元進行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元進行模擬，全橋共871個單元。模型邊界約束根據(jù)支座類型進行設(shè)置，鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q345，拱座采用C40混凝土，承臺及系梁采用C35混凝土。計算采用k N、m制，應(yīng)力單位為MPa，有限元模型如圖6所示。

圖6 主橋有限元計算模型

3.2.2 靜力分析結(jié)構(gòu)

吊桿采用吊桿運營階段標準組下吊桿最大應(yīng)力分別為σ=473 MPa=fpk/3.9大于2.5，疲勞荷載計算模型I下，ΔσP=56 MPa≤K s·ΔσD/γMf=137/1.35= 101（MPa），滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范[4]要求，對荷載基本組合下，考慮剪力滯、整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定下的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算分析，結(jié)果見表1所列。

表1 主要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力匯總表MPa

3.2.2 穩(wěn)定計算分析

該橋采用的無風(fēng)撐桁架拱結(jié)構(gòu)，橋梁的穩(wěn)定問題更為突出。計算穩(wěn)定荷載采用λ恒載+λ活載+λ風(fēng)荷載，經(jīng)計算橋梁整體穩(wěn)定失穩(wěn)模態(tài)以自由段拱肋彎扭失穩(wěn)為主，穩(wěn)定系數(shù)為21.1，滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)模態(tài)如圖7所示。

圖7 主拱一階失穩(wěn)模態(tài)

3.2.3 疲勞計算分析

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（J T G D64-2015）[4]5.5.1條，承受汽車荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接，應(yīng)按疲勞細節(jié)類別進行疲勞驗算。該橋選取如下構(gòu)造細節(jié)進行驗算。

（1）頂?shù)装濉⒏拱鍣M向連接焊縫；

（2）U肋摩擦型雙面H T B拼接；

（3）縱肋與面板間的角焊縫；

（4）橫肋腹板缺口最小截面。

細節(jié)（1）疲勞檢算荷載采用疲勞荷載計算模型I，細節(jié)（2）～細節(jié)（4）疲勞檢算荷載采用疲勞荷載計算模型III。根據(jù)計算，細節(jié)（1）的荷載應(yīng)力幅小于常幅疲勞極限，細節(jié)（2）～細節(jié)（4）的等效常值應(yīng)力幅小于常幅疲勞極限，滿足規(guī)范要求。算分析，表明在施工和運營過程中，橋梁結(jié)構(gòu)的受力都能滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了一座40 m+128 m+40 m的中承式桁架拱梁組合體系橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過合理的結(jié)構(gòu)布置，使得橋梁傳力形式明確，構(gòu)造合理。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的整體靜力、穩(wěn)定及疲勞的計

[1]JJ11-2011，城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3]BSEN1991-1-5:2003,CE N[S].

[4]JTG D64-2015,公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].

U442.5

B

1009-7716（2017）06-0107-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.031

2017-03-05

丁文俊（1985-），男，江西撫州人，碩士，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。