大蘆線二期浦星公路230 m下承式系桿拱橋設(shè)計

鄢余文

（上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

1　工程概況

上海市以“一環(huán)十射”干線航道為骨架的高等級內(nèi)河航道網(wǎng)建設(shè)，是實現(xiàn)內(nèi)河航運現(xiàn)代化和水資源綜合利用，打造完善的內(nèi)河集疏運體系，實現(xiàn)多種運輸方式一體化發(fā)展，建設(shè)國際航運中心的重要舉措。

大蘆線二期航道又名大治河，位于上海東南部，是上海市“一環(huán)十射”規(guī)劃干線航道之一，是上海國際航運中心建設(shè)的重要組成部分，是溝通洋山深水港區(qū)和相鄰省區(qū)的重要國家級集裝箱運輸主通道。

浦星公路橋是大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁改建中的一座，橋梁位于閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)，鄰近大治河西閘，見圖1。現(xiàn)狀橋梁不能滿足規(guī)劃Ⅲ級航道的通航要求，需拆除重建。

圖1　橋梁地理位置圖

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）航道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

航道等級：Ⅲ級通航標(biāo)準(zhǔn)。通航水位：設(shè)計最高通航水位3.2 m，設(shè)計最低通航水位2.0 m。

航道面寬及通航凈空尺度：浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū)，重建橋梁需一孔跨過通航水域，航道通航凈寬取航道設(shè)計面寬195 m，通航凈高7.0 m（矩形斷面）。

（2）道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

浦星公路為上海市主要干線公路，道路紅線寬度45 m，按主輔斷面布置。主線為雙向6車道規(guī)模，按一級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計車速80 km/h；輔道為雙向2車道并考慮人行和非機動車通行，按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計車速30 km/h。

（3）橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

荷載等級：汽車荷載取公路-Ⅰ級，人群荷載取2.875 kN/m2。

抗震設(shè)防烈度7度，地震動峰值加速度為0.10 g，橋梁抗震措施等級按8度設(shè)防。主橋抗震設(shè)防類別為A類，引橋抗震設(shè)防類別為B類。

3　建設(shè)條件

現(xiàn)狀橋梁跨徑布置：2×22 m+35 m+42 m+35 m+2×22 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為簡支T梁，引橋上部結(jié)構(gòu)為空心板梁。橋面為雙向4車道規(guī)模，分離式雙幅橋，橋面總寬29.5 m，見圖2。

現(xiàn)狀橋梁通航凈寬35 m，通航凈高4.96 m，不滿足大蘆線航道規(guī)劃的Ⅲ級通航凈空尺度要求，需拆除重建浦星公路橋。

此外，本工程新老橋中心線重合，施工期間需先拆除老橋，考慮現(xiàn)狀交通繞行并配合修建臨時交通便橋，以維持道路交通的通行。

圖2　現(xiàn)狀浦星公路橋

4　總體方案

4.1　主跨取值

浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū)，航道設(shè)計面寬為195 m。主橋在航道南岸避讓航道護岸；在北岸避讓老橋橋墩，并滿足橋下防汛通道布置要求，新建主橋主跨取230 m，見圖3。

圖3　主橋主跨布置

將主墩遠(yuǎn)離河道布置，可減小承臺埋深，避免深基坑開挖，并與護岸互不影響，確保主橋下部結(jié)構(gòu)安全，施工方便。

4.2　橋梁方案設(shè)計

浦星公路橋主跨為230 m，適用橋型主要有下承式系桿拱橋、雙塔斜拉橋等。

與雙塔斜拉橋相比較，下承式系桿拱橋為單跨簡支結(jié)構(gòu)，主橋長度規(guī)模小，造價相對較低。此外，結(jié)合本橋特定條件，部份主跨位于航道尚未開挖的岸上，部份主跨位于水中但可充分利用老橋基礎(chǔ)作為臨時支撐，較適合采用先梁后拱法施工，從而對降低主橋造價起到了關(guān)鍵作用，且降低了橋梁施工難度與風(fēng)險。

綜上所述，浦星公路橋主橋采用單跨230 m下承式系桿拱橋，見圖4。下承式系桿拱橋主梁結(jié)構(gòu)高度低，可有效減小引橋長度，橋梁整體建筑造型優(yōu)美，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，橋梁方案經(jīng)濟合理、景觀效果好。

圖4　橋梁總體效果圖

4.3　總體布置

主橋采用計算跨徑230 m的下承式鋼箱系桿拱橋，主橋全長為237 m，主拱為提籃式鋼箱拱肋，主梁為鋼-混凝土組合梁，見圖5、圖6。

圖5　浦星公路主橋立面圖（單位：m）

圖6　浦星公路主橋平面圖（單位：m）

主橋整幅布置，橋面寬度43.4 m，布置雙向6車道機動車、人行及非機動車道，其中人非車道布置于拱肋外側(cè)，見圖7。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1　主梁設(shè)計

主梁采用鋼－混凝土組合梁，截面中心處標(biāo)準(zhǔn)梁高3.3 m，系梁中心處標(biāo)準(zhǔn)梁高2.99 m，拱腳截面中心處梁高增加至4.3 m。橋面全寬43.4 m，梁底水平，梁頂設(shè)置雙向2.0%橫坡。

鋼梁部份采用Q345qD全焊鋼結(jié)構(gòu)，由鋼主梁（系梁）、中橫梁、端橫梁、小縱梁及挑臂組成的雙主梁體系，見圖8。

圖7　浦星公路主橋橫斷面圖（單位：cm）

圖8　1/2主梁截面圖（單位：mm）

鋼主梁共設(shè)2道，中心距32.194 m，采用箱型截面，其腹板內(nèi)傾12°與拱肋腹板對齊，截面寬2.556 m，截面高2.710 m。在每道鋼主梁的箱室內(nèi)布置6根水平系桿，每根系桿采用55股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線，水平系桿錨固于鋼主梁端部，并在箱室外張拉。

中橫梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距3.9 m，采用工字形截面，梁高2.685～3.065 m。端橫梁采用箱形截面，寬度5.0 m，梁高3.735～4.020 m。

橋梁橫斷面上設(shè)5道小縱梁，其中2道設(shè)置于箱梁挑臂處，小縱梁采用工字形截面。

鋼主梁外側(cè)鋼挑臂長度4.892 m，橋面布置非機動車道及人行道。其中非機動車道部份的橋面設(shè)置混凝土橋面板，人行道部份在鋼橋面上支撐設(shè)置人行道板。

混凝土橋面板采用分塊預(yù)制施工，待鋪設(shè)到位后現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫形成整體。預(yù)制橋面板采用26 cm厚的C50鋼筋混凝土板。鋼主梁、小縱梁及橫梁的頂部采用28 cm厚的C50復(fù)合纖維混凝土現(xiàn)澆濕接縫，并通過Ф22 mm圓頭剪力釘與相應(yīng)鋼梁的頂板進行連接。

5.2　主拱設(shè)計

主拱體系由2片提籃式鋼箱拱肋和6道鋼箱風(fēng)撐組成。結(jié)合橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)受力，并考慮景觀效果，拱肋平面內(nèi)傾12°，拱腳處2片拱肋中心距31.5m，拱頂處拱肋中心距12.372 m。拱肋線型為二次拋物線，拱肋平面內(nèi)矢高46.0 m，矢跨比為1/5。

拱肋材料主要采用Q345qD、拱腳區(qū)域提高至Q370qD。拱肋采用矩形截面，寬度2.5 m，高度3.6 m，見圖9。拱肋橫隔板垂直于拱軸線布置，吊桿處增設(shè)豎直向橫隔板。主拱設(shè)置6道箱型一字式風(fēng)撐，截面高度1.78 m，寬度3.5 m，見圖9。

圖9　主拱隔板截面、吊點截面、風(fēng)撐截面圖（單位：mm）

5.3　吊桿設(shè)計

吊桿順橋向間距7.8 m，吊桿索面同拱肋平面，即橫橋向內(nèi)傾12°。全橋共設(shè)27對吊桿，中間吊桿采用37股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線，端吊桿采用43股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線。

吊桿兩端錨頭均為冷鑄錨，采用梁端箱內(nèi)張拉，拱端連接穿銷式耳板，并采用球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動。鋼主梁底板在每個吊點位置設(shè)永久施工孔，以方便張拉。

6　結(jié)構(gòu)計算

6.1　計算模型

采用Midas軟件，建立三維有限元計算模型，見圖10。混凝土橋面板采用板單元模擬，吊桿及系桿采用桿單元模擬，其余構(gòu)件均采用梁單元模擬。

圖10　有限元計算模型

計算荷載包括恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載、地震荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降等，荷載組合按規(guī)范要求取值。

6.2　靜力計算

（1）拱肋計算

荷載基本組合下，拱肋應(yīng)力計算結(jié)果見圖11、圖12。

圖11　荷載基本組合拱肋上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖12　荷載基本組合拱肋下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

荷載基本組合下，拱肋全截面受壓。拱肋截面上緣最大壓應(yīng)力為216.5 MPa，位于拱頂區(qū)域。拱肋截面下緣最大壓應(yīng)力為245.8 MPa，位于拱腳區(qū)域。經(jīng)驗算，拱肋強度滿足規(guī)范要求。

（2）鋼主梁計算

主梁采用鋼－混凝土組合梁，在考慮混凝土橋面板全截面受力前提下，進行鋼主梁靜力計算。荷載基本組合下，鋼主梁應(yīng)力計算結(jié)果見圖13、圖14。

圖13　荷載基本組合鋼主梁上緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖14　荷載基本組合鋼主梁下緣應(yīng)力圖（單位：MPa）

荷載基本組合下，鋼主梁上緣最大拉應(yīng)力為82.4 MPa，位于跨中區(qū)域；上緣出現(xiàn)最大28.2 MPa的壓應(yīng)力，位于梁端區(qū)域。

荷載基本組合下，鋼主梁下緣最大拉應(yīng)力為187.9 MPa，位于梁端區(qū)域；下緣出現(xiàn)最大47.8 MPa的壓應(yīng)力，位于跨中區(qū)域。

經(jīng)驗算，鋼主梁強度滿足規(guī)范要求。

（3）橋面板計算

對于混凝土橋面板，在成橋時因為張拉水平系桿的關(guān)系，橋面板以受壓為主。計入10年收縮徐變后，橋面板變?yōu)槭芾：奢d標(biāo)準(zhǔn)組合下，橋面板應(yīng)力計算結(jié)果見圖15。

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，橋面板最大拉應(yīng)力為5.83 MPa。拉應(yīng)力超過C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，認(rèn)為橋面板已開裂，按鋼筋混凝土偏心受拉構(gòu)件驗算其裂縫和強度。

圖15　荷載標(biāo)準(zhǔn)組合1/2橋面板應(yīng)力圖（單位：MPa）

（4）系桿計算

通過在鋼主梁上設(shè)置水平系桿，承擔(dān)結(jié)構(gòu)部分水平推力，改善拱肋及鋼梁受力，增加混凝土橋面板的壓應(yīng)力儲備。

每道鋼主梁箱內(nèi)布置6根系桿。系桿力以優(yōu)化拱肋彎矩及主梁拉力為目標(biāo)，進行反復(fù)試算確定。荷載基本組合下每根系桿計算拉力為 5 000 kN，采用55Φsl 5.2環(huán)氧噴涂可更換系桿，其抗拉力設(shè)計值 7 683 kN，系桿強度滿足要求。

（5）吊桿計算

荷載基本組合下，各吊桿內(nèi)力計算結(jié)果見表1。

表1　荷載基本組合吊桿內(nèi)力計算結(jié)果表

中間吊桿采用37Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線，其抗拉力設(shè)計值 5 169 kN；端吊桿（1、2、26、27號）采用43Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線，其抗拉力設(shè)計值 6 007 kN；吊桿強度滿足要求。

6.3　穩(wěn)定分析

主拱為壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定性是全橋可靠性的關(guān)鍵所在。采用Midas計算軟件，對主橋按第一類線彈性穩(wěn)定計算方法，計算方程為：

在最不利工況下，成橋階段主橋第一階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋一階反對稱面外失穩(wěn)，見圖16。主橋最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.8，滿足規(guī)范要求。

圖16　主橋第1階屈曲模態(tài)

7　結(jié)語

浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū)，根據(jù)航道通航要求，主橋采用計算跨徑230 m的下承式系桿拱橋一跨過河布置。

主橋采用提籃式鋼箱拱肋，主梁為鋼－混凝土組合梁，能有效降低結(jié)構(gòu)自重，加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增加橋梁跨越能力。結(jié)合現(xiàn)場條件，主橋推薦采用先梁后拱法施工，主拱和主梁均為大節(jié)段預(yù)制吊裝，施工方便快捷，安全可靠，對航道通航影響較小。

本工程提籃式主拱曲線優(yōu)美，橋梁整體造型簡潔輕盈、雄偉壯觀，建成后將成為上海地區(qū)最大跨徑的下承式拱橋，并將成為大蘆線航道上的一道獨特景觀。