異形鋼桁架拱橋結構設計及計算分析

黃科榜

（上海瑞橋土木工程咨詢有限公司，上海市 200092）

異形鋼桁架拱橋結構設計及計算分析

黃科榜

（上海瑞橋土木工程咨詢有限公司，上海市 200092）

某三跨連續中承式鋼桁拱橋，跨徑布置為22 m+56 m+22 m。主橋拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結構。主橋跨中設置系梁，主梁由橋面系及橫梁組成，橋面系采用正交異性鋼橋面，主梁、系梁及拱肋固結連接。橋梁共設置13對吊桿，扇形布置，吊桿錨固采用耳板的結構形式。主要介紹該橋的結構構造設計及受力計算分析，該橋造型新穎優美，受力及構造較為復雜，可為類似工程提供一定的借鑒。

連續中承式鋼桁架拱橋；系梁；正交異性鋼橋面；吊桿錨固；結構設計；計算分析

1 工程概況

本橋位于某市新區核心地帶，連接河道兩側的重要區域，是吸引人流，匯聚人氣的中間地帶，經過多輪方案遴選，最終確定三跨連續中承式鋼桁拱橋為實施方案，橋梁整體效果見圖1。

圖1 橋梁整體效果圖

橋梁以“科技之風”為設計理念，強調智慧與創新，與科技引智的橋梁意向相統一。橋梁規模雖然不大，但造型新穎，精致而富有創意。

2 總體布置

橋位處規劃河道開口寬度約為82.5 m，其中主河道底寬50 m。橋梁為三跨連續中承式鋼桁拱橋，跨徑布置為22 m+56 m+22 m=100 m，道路標準寬度46 m。

橋梁總體布置見圖2。

圖2 橋梁總體布置圖（單位：m）

橋梁橫斷面自北向南布置依次為：1.8 m（拱索區）+ 3 m（人行道）+18.5 m（機動車道）+1.5 m（分隔欄）+18 m（機動車道）+5 m（人行道）+1.8 m（拱索區）=49.6 m。

3 結構設計

鋼拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結構；橋梁跨中設置系梁，系梁與拱肋進行固結；主梁由橋面系及橫梁組成，主梁、系梁及拱肋固結連接，中支點及邊支點下均設置支座。鋼拱總體布置見圖3。

圖3 鋼拱總體布置圖（單位：mm）

3.1 鋼拱肋設計

鋼拱肋是由中拱肋、邊拱肋、副拱肋及腹桿組成的桁架結構。鋼結構材料采用Q345D。

主橋拱肋內傾10°，拱肋包括中拱肋、邊拱肋和副拱肋，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，中拱肋拱軸線矢高15.5 m，橋面以上拱肋高11.05 m，中拱跨徑56.0 m；邊拱肋拱軸線矢高3.4 m，跨徑22.0 m，副拱根據控制點采用樣條曲線進行擬合。

中拱肋截面采用箱形截面，截面高度1.1～1.5 m，寬度1.5 m，板厚18～24 mm，局部加厚至32 mm。副拱采用箱形截面，截面高度1.0 m，寬度1.5 m，板厚18 mm，局部加厚至24 mm、28 mm。中拱肋與副拱肋在拱頂形成一個整體箱形斷面，截面高度2.8～1.6 m，板厚18 mm，寬度1.5 m。

邊拱肋采用箱形截面，拱腳端拱肋截面高度1.5 m，寬度1.5 m，板厚24 mm；拱頂端截面高度1.6 m，寬度1.5 m；邊拱肋與副拱肋在橋梁端部形成整體箱形斷面，截面高度1.6～2.86 m，寬度1.5 m，板厚18 mm。

邊、中拱肋在橋墩處采用箱型腹桿連接，高1.5 m，寬0.6 m，板厚28 mm；其他腹桿均采用工字型截面，高1.5 m，翼緣寬03～0.4 m，板厚18～24 mm。

中支點處拱腳節點構造見圖4，通過復雜的隔板及加勁設計，保證節點傳力的連續性及有效性。

圖4 中支點拱腳節點細部圖（單位：mm）

3.2 橋面系及橫梁

橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板板厚16 mm，采用U型加勁肋，板厚8 mm。跨中橋面荷載由橫梁傳遞至系梁上，跨中橫梁間距3.0 m，墩頂附近橫梁間距2.5 m，橫梁采用工字型截面，截面高度由1.6 m漸變至2.6 m，邊跨橫梁在橫梁與拱肋連接處局部加高，橫梁下翼緣尺寸為800 mm× 30 mm，腹板厚16 mm。

橫梁間共設置三道小縱梁，截面采用工字型，高2.0 m，下翼緣采用1 000 mm×30 mm，腹板厚16 mm。圖5為中支點處的橫斷面布置圖。

圖4 中支點拱腳節點細部圖（單位：mm）

主梁端橫梁內設置壓重混凝土，壓重材料采用素混凝土。壓重混凝土需分批澆筑，第一批底板處厚度為30 cm，待強度達到后澆筑剩余部分。

3.3 吊桿及錨固結構設計

主橋共設置13對吊桿，成扇形布置，系梁上間距為3.0 m，拱肋上間距2.0 m。吊桿采用規格為PES5-61的鍍鋅平行鋼絲PE雙護層拉索，最大張拉力為600 kN，運營期間荷載標準組合下最大拉力為806 kN，拉索設置180 mm橫向偏心。

拱肋與系梁內吊桿均為錨固端，在吊桿中間進行張拉。錨固結構采用耳板的結構形式，錨固結構的傳力路徑為：吊桿—中間豎向耳板—拱肋T型加勁肋—橫隔板—拱肋腹板。系梁處吊桿錨固結構也采用耳板的結構形式，錨固結構的傳力路徑為：吊桿—中間豎向耳板—橫隔板—系梁腹板。

3.4 下部結構設計

橋臺為輕型橋臺，橋臺寬46 m，臺背厚1.94 m，橋臺下承臺高1.5 m，樁基直徑1.2 m，共21根樁，樁長35 m。

中墩（拱座）采用圓形變截面拱座，拱座高4.6 m，采用C40混凝土，拱座下設置矩形承臺，承臺高2.0 m，長8.6 m，寬7.8 m，樁徑1.2 m，共8根樁，樁長35 m。

4 結構計算

結構計算采用Midas/Civil 2015軟件，拱肋、橫梁、縱梁及腹桿采用梁單元進行模擬，吊桿采用只受拉桁架單元進行模擬，全橋共1 241個單元。有限元模型見圖6。

圖6 結構計算模型圖

4.1 主拱肋計算

基本組合下中、邊拱肋最大拉應力為105.0 MPa，最大壓應力為-163.0 MPa。主拱肋板件考慮受壓局部穩定折減系數為 0.817，容許壓應力為0.817×270=220 MPa＞163 MPa，滿足規范要求。

主拱肋最大剪應力為40.6 MPa，小于容許剪應力155 MPa，滿足規范要求。

4.2 副拱肋計算

基本組合下副拱肋最大拉應力為89.1 MPa，最大壓應力為130.3 MPa。副肋板件考慮受壓局部穩定折減系數為0.817，容許壓應力為0.817× 270=220 MPa＞130.3 MPa，滿足規范要求。

副拱肋最大剪應力為32.2 MPa，小于容許剪應力155 MPa，滿足規范要求。

4.3 拱肋腹桿計算

基本組合下箱型腹桿最大拉應力為139.5 MPa，最大壓應力為-160.1 MPa。考慮受壓局部穩定折減系數為0.787，整體穩定折減系數為0.957，容許壓應力為0.787×0.957×270=203 MPa＞160.1 MPa，滿足規范要求。

基本組合下工字型腹桿最大壓應力為-160.1MPa。考慮受壓局部穩定折減系數為0.807，整體穩定折減系數為0.882，容許壓應力為0.807×0.882× 270=192.2 MPa＞160.1 MPa，滿足規范要求。

4.4 系梁、橫梁、縱梁計算

系梁：基本組合下系梁最大拉應力為91.8 MPa，最大壓應力為-28.5 MPa，小于 [σ]=270 MPa，滿足規范要求。

系梁段橫梁：基本組合下系梁段橫梁最大拉應力為136.4 MPa，最大壓應力為-150.1 MPa，小于[σ]=270 MPa，滿足規范要求。在基本組合下系梁段橫梁最大剪應力為51.7 MPa，小于 [σ]=155 MPa，滿足規范要求。

縱梁應力：在基本組合下出現126.0 MPa拉應力，-114.5 MPa的壓應力，小于 [σ]=270 MPa，滿足規范要求。

4.5 吊桿計算

運營階段標準組合工況吊桿最大應力σ=662 MPa，安全系數k=fpk/σ=2.52＞2.5，滿足規范要求。

疲勞荷載模型I吊桿應力幅ΔσP=70.9 MPa，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》第13.2.2節，平行鋼絲束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=70.9 MPa≤ks×ΔσD/γMf=1.0×137/1.35=101 MPa，滿足規范要求。

4.6 剛度計算

主拱的活載最大豎向位移為8.4 mm；橫梁跨中活載最大豎向位移35.3 mm，最小豎向位移-0.2 mm，活載計算撓度f=35.3+0.2=35.7 mm＜L/500=92 mm，滿足規范要求，同時橫梁按恒載+0.5活載的變形值反向設置預拱度。

4.7 整體穩定計算

主橋在恒載、活載和風荷載作用下，以主拱的側向失穩為主要的整體失穩模態，最小的穩定系數為95.2，滿足設計要求。圖7為第一階失穩模態拱肋側傾。

4.8 吊桿耳板計算

基本組合下吊桿最大內力為966 kN，耳板厚30 mm，貼板厚25 mm，耳板承壓應力σc=120.75 MPa小于容許承壓應力355 MPa；計算的破壞拉應力為161 MPa，小于容許應力270 MPa，滿足要求。

圖7 一階失穩模態——拱肋側向失穩

5 施工方法[1,2]

根據橋位處河床現狀為干枯河道的特點，施工方案的制定原則為：充分利用現狀河床干枯的條件，采用搭設少支架進行施工的方案，結合該橋的關鍵節點結構特點并考慮運輸及吊裝能力，適當控制構件的規模、重量。施工主要流程如下：

第一步：施工單位進場，四通一平；填筑施工便道，橋墩處筑島，開始鉆孔樁施工；承臺、橋墩施工；基礎施工同時工廠鋼結構節段加工。

第二步：搭設臨時支墩；設置臨時支座安裝拱腳節段及主墩橫梁，見圖8。

圖8 搭設臨時支墩

第三步：運輸鋼拱、橫梁、系梁節段到現場，在拼裝場地上進行預拼裝；分節段安裝拱肋、系梁及橫梁節段，見圖9。

圖9 拼裝場地上進行預拼裝

第四步：逐段安裝拱肋至合攏，見圖10。

圖10 逐段安裝拱肋至合攏

第五步：逐段施工鋼橋面板；初張拉吊桿到指定索力，見圖11。

圖11 逐段施工鋼橋面板

第六步：拆除支架；施工人行道、橋面鋪裝、照明等附屬設施；視索力誤差而定是否二次調索到成橋索力；荷載試驗，驗收、通車。

6 結語

本文以某異形鋼桁架拱橋為工程背景，詳細介紹了該橋的總體布置、結構構造設計、總體與局部計算分析、施工方法等方面的內容。該橋造型新穎優美，受力及構造較為復雜，可為類似工程提供一定的借鑒。

[1]吳沖.現代鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]孫海濤.大跨度鋼桁架拱橋關鍵問題研究[D].上海:同濟大學, 2007.

U448.22

B

1009-7716（2017）09-0090-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.026

2017-05-15

黃科榜（1989-），男，廣西貴港人，助理工程師，從事橋梁設計工作。