合肥市郎溪路南淝河特大橋總體設計

何曉暉，王 健，陳宜言

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概 述

合肥市郎溪路南淝河大橋是合肥市郎溪路（裕溪路—包河大道）建設范圍中最重要的關鍵節點工程，經多次方案的技術、經濟比選，橋梁結構確定采用特大跨徑波形鋼腹板預應力混凝土連續梁橋，下部結構采用等截面矩形箱形墩，鉆孔灌注樁群樁基礎。

1.1 技術標準

（1）道路等級：城市快速路。

（2）荷載等級：城市-A級，人群荷載3.5 kN/m2。（3）設計行車速度：60 km/h。

（4）地震作用：地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

（5）通航等級：Ⅲ級航道。

（6）設計洪水頻率：1/100。

（7）環境類別：Ⅱ類。

（8）橋梁設計基準期：100 a。（9）設計安全等級：一級。

1.2 橋址自然條件

擬建場地內地勢稍有起伏，整體上呈西南高、東北低，地面標高11～30m。工程區域為沖積平原，微地貌為河漫灘、階地地貌。地質構造上，合肥地區屬于下揚子海槽和淮陽古陸邊緣地帶，屬于中朝準地臺江淮臺隆。場地未發現活動斷裂及其他影響工程穩定性的地質構造。場地上部地層為壓實填土、雜填土、素填土，下伏基巖為第三系土金山組泥質砂巖，局部夾泥巖、砂質泥巖、砂巖。

1.3 橋梁結構主要材料

（1）上部主梁為C60混凝土；墩身為C40混凝土；承臺為C40混凝土；基樁為C35水下混凝土。

（2）主要鋼材：波形鋼腹板及上、下翼緣板采用符合 《耐候結構鋼》（GB/T 4171—2008）的Q355NH D等級耐候鋼材。

（3）預應力鋼材：體內束采用高強度、低松弛的橋梁成品預應力鋼絞線束，fpk=1 860MPa；體外束采用環氧涂層預應力鋼鉸線，fpk＝1 860 MPa。

2 橋梁結構設計

2.1 總體設計

根據該項目交通功能的需求，設置中幅主線橋承擔過境交通，設置左、右幅輔道橋承擔溝通南淝河兩岸城市交通。

該橋平面處于半徑為1 500m的平曲線上，為航道布置和施工方便考慮，三幅橋按照主跨徑相等、連接墩中心線在同一條法線上的原則布置。橋梁跨徑布置：左幅為92.313m+153m+92.494m；中間幅為 95 m+153 m+95 m；右幅為 97.687 m+153 m+97.506m（見圖 1）。

如圖2所示，橋梁總寬分別如下：

中間幅：0.5m（護欄）+12m（行車道）+1m（分隔帶）+12m（行車道）+0.5m（護欄）=26m。

左幅：7m（人行道、非機動車道）+11.5m（行車道）+0.5m（防撞護欄）=19m。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁典型橫斷面圖（單位：cm）

右幅：0.5m（防撞護欄）+11.5m（行車道）+7m（人行道、非機動車道）=19m。

三幅橋間距均為1m。

主墩墩身采用箱形空心墩，順橋向橋墩寬均為4.0m，中間幅橋墩橫橋向寬21.2m，邊幅橋墩橫橋向寬14.2m，壁厚0.75m，橋墩基礎采用群樁基礎，樁徑2.0m，均按摩擦樁設計，承臺厚度為4.0m。

2.2 主梁結構設計

上部結構為三跨波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁體系。中間幅主橋箱梁采用單箱三室橫斷面，左幅和右幅主橋箱梁采用單箱雙室橫斷面。根部梁高8.5m，高跨比1/18；跨中及邊墩處梁高3.6m，高跨比1/42.5，梁高按1.8次拋物線變化。

左幅和右幅波形鋼腹板厚度為12～24 mm，中間幅箱梁波形鋼腹板厚為12～26 mm，波形采用1600型。波形鋼板與混凝土頂板用Tw in-PBL連接，與混凝土底板的連接采用角鋼剪力鍵連接（見圖3）。鋼腹板節段間縱向連接采用搭接貼角焊接連接的方式，使用螺栓臨時固結，且為免疲勞損壞波形鋼板，豎向焊縫與水平焊縫相交處應按設計要求設過焊孔。為提高波形鋼腹板箱梁的抗扭剛度，于箱梁中每隔一定距離設置有橫隔。

主梁采用全預應力混凝土結構，梁體內采用縱、橫、豎（僅0號段布置）三向預應力，縱向預應力束又分體內、體外預應力兩種鋼束。

2.3 中幅橋超寬箱梁結構分析模型

圖3 Twin-PBL連接和角鋼剪力鍵連接

該橋為超寬波形鋼腹板預應力混凝土箱梁結構，必須使用通用有限元程序對橋梁結構建立精確的空間分析模型，對結構的施工行為和成橋運營階段進行受力性能進行計算，驗證結構的剛度、強度及穩定性。

2.3.1 混凝土頂底板、橫梁、橫隔板及內襯混凝土單元

采用ANSYS程序單元庫中的八節點六面體單元——S O L ID45單元。S O L ID45單元每個節點均有三個平動自由度（U X、U Y、U Z）；S O L ID45單元可以考慮混凝土這類非線性材料的很多非線性性質，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形、徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。

2.3.2 波形鋼腹板單元

采用ANSYS程序單元庫中的四節點殼單元——SHELL63單元。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。該單元每個節點具有六個自由度：三個平動自由度（UX、UY、UZ） 和三個轉動自由度（ROTX、R O T Y、R O T Z）。SHELL63單元可以考慮塑性變形、徐變、大變形和大應變特性等。

2.3.3 預應力筋單元

預應力筋采用L I N K8單元。L I N K8單元有著廣泛工程應用的桿單元，比如可以用來模擬桁架、連桿、彈簧等。這種三維桿單元是軸向的拉壓單元，不承受彎矩；每個節點具有三個自由度——沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動。

2.3.4 連接單元

開孔板連接件及焊釘連接件采用CO M BI N14單元。CO M BI N14具有一維、二維或三維應用中的軸向或扭轉性能。軸向的彈簧-阻尼器選項是一維的拉伸或壓縮單元。它的每個節點具有三個自由度——X、Y、Z的軸向移動，不能考慮彎曲或軸向力。

2.3.5 材料特性及實常數設置

箱梁頂、底板、橫梁、橫隔板及內襯混凝土采用C60混凝土。波形鋼腹板、鋼上下翼緣均采用Q345。體內預應力筋采用C P S270級 ?j15.24低松弛鋼絞線，公稱直徑 15.2 mm（7?5.0），公稱面積140.0mm2。體內束、體外束張拉控制應力分別為0.75Ryb=1 395MPa，0.60Ryb=1 116MPa。

開孔板連接件開橢圓形孔（長軸70mm，短軸50mm），根據推出試驗所得剪切作用力與相對滑移量的關系曲線，將滑移量0.2mm割線斜率設為連接件抗剪剛度Ks。

2.3.6 邊界條件

在橋梁運營階段，一個中支座處采用固定支座，其他支座均采用活動支座。各自由度約束情況見表1。

表1 有限元模型約束條件

2.3.7 荷載作用

考慮的荷載種類如下：結構一期恒載、二期恒載、預應力作用、汽車荷載、溫度作用、混凝土收縮作用、支座沉降作用等。各荷載取值依據相關規范確定。

2.3.8 計算分析模型

首先確定波形鋼腹板組合梁橋各構件的單元類型和材料性質，包括混凝土頂底板、橫梁、橫隔板和內襯混凝土等混凝土構件，波形鋼腹板、鋼上下翼緣等鋼構件，體內束、體外束等預應力構件，以及開孔板連接件、焊釘連接件等，然后建立全橋板殼-實體有限元分析模型（見圖4）、局部輪載有限元分析模型以及施工階段有限元分析模型（見圖5）。步驟如下：

圖4 全橋有限元模型

圖5 局部有限元模型

（1）選擇所需要的各種單元類型，并設置各單元類型的選項。

（2）確定各材料所對應的材料性質。

（3）將線性彈簧單元對應的實常數輸入。

（4）綜合采用“自頂向下”和“自底向上”的建模方法建立有限元模型；體內預應力筋在相應節點處與混凝土頂底板進行耦合，體外預應力筋在橫梁錨固點及橫隔板轉向塊處與混凝土在橫向和豎向耦合，但縱橋向體外預應力筋無約束，符合實際情況；波形鋼腹板及其鋼上下翼緣與混凝土之間采用彈簧單元模擬連接關系。

2.4 中幅橋超寬箱梁結構專項研究

針對結構自身特性，該工程開展了如下專項研究：

（1）超寬箱梁成橋運營階段橫向應力及局部構件應力分析。

（2）超寬箱梁橫隔板間距合理布置研究。（3）超寬箱梁活載偏載效應研究。

2.4.1 超寬箱梁成橋運營階段橫向應力及局部構件應力分析

研究對象橋采用大懸臂寬箱波形腹板組合梁斷面，在局部輪載作用下，橋面板橫向受力較為復雜，且波形腹板與頂底板連接處承受角隅彎矩，局部受力較為不利。通過計算表明：

（1）對橋面板布置 B M15-2、B M15-3、B M15-4、B M15-5和B M15-6五種不同數量橫向預應力筋的情況下，分別進行了橫向邊支點負彎矩最不利和橫向中跨跨中正彎矩最不利兩種工況下的計算分析。各工況下頂板橫向正應力見表2。以橫向邊支點負彎矩最不利工況為例，可以看出隨著預應力束數量的增加，橫向中支點和邊支點處拉應力和壓應力均逐漸增大，橫向中跨跨中和邊跨跨中處壓應力逐漸增大，綜合考慮橫向支點及跨中處受力，橋面板橫向預應力鋼束按B M15-4布置是合理的。

（2）在橫向邊支點負彎矩最不利工況和橫向中跨跨中正彎矩最不利工況下，對結構進行穩定性能分析。計算表明，在上述兩種最不利工況下，結構前五階屈曲穩定特征值均大于4，滿足穩定性要求。

（3）在中支點剪力最大工況和邊支點剪力最大工況下，對錨固橫梁的縱向應力、橫向應力、主拉應力以及主壓應力進行分析。分析結果見表3，結果表明除錨點區域應力較大外，其余區域應力均較小，按規范配筋即可。

（4）在中支點剪力最大工況和邊支點剪力最大工況下，對內襯混凝土的縱向應力、橫向應力、主拉應力以及主壓應力進行分析。分析結果見表4，結果表明內襯混凝土應力沿斜對角波浪形分布，除內襯自由端主拉應力較大外，其他應力均較小。建議在內襯自由端進行剛度過渡處理，內襯混凝土適當配筋即可滿足應力要求。

2.4.2 超寬箱梁橫隔板間距合理布置研究

分別采用5m、10m、15m、20m和25m五種橫隔板布置方案研究橫隔板合理間距。通過波形鋼腹板組合箱梁橋橫隔板不同布置方案的有限元分析，可以得出以下結論：

（1）按規范偏心車道加載時，橫隔板數量對橋梁豎向撓度影響較小，說明橫隔板數量對結構的豎向剛度影響不明顯。

表3 錨固橫梁受力分析 kN

表4 內襯混凝土受力分析 kN

（2）按規范偏心車道加載時，由于橫隔板主要限制畸變應力，而畸變應力在總應力中所占比例很小，因而五種方案的總的正應力沒有顯著變化。

（3）按集中力加載時，隨橫隔板數量的減少，畸變應力占總的彎曲正應力的比值逐漸增加，其比值均小于10%，一般要求橫隔板間距在10～25m。故橫隔板間距不控制其設計。

2.4.3 超寬箱梁橋面板有效寬度研究

通過波形腹板組合箱梁橋的實體有限元模型，計算各關鍵截面處混凝土板在恒載和活載作用下縱向正應力的橫向分布，以獲得其跨中和支點等截面的有效寬度，并與橋梁設計規范規定進行了比較分析。計算結果表明：

（1）應力方面。各荷載工況下，頂板縱橋向應力沿橫橋向分布波動幅度較底板大，邊支點和中支點處斷面的頂底板縱橋向正應力沿橫橋向分布的均有一定波動，由于活載占總荷載的比例相對較小，活載作用下，各截面應力波動幅度均小于恒載作用下的截面應力波動幅度。

表2 不同橫向預應力束布置下頂板橫向正應力 MPa

（2）恒載作用下，混凝土頂板的有效寬度計算系數在各支點處為 0.31～0.36，邊跨跨中為0.66～0.77，中跨跨中為 0.57～0.86。混凝土底板的有效寬度計算系數在邊支點處為0.78，邊跨跨中為0.89～0.92，中支點為 0.95，中跨跨中為 0.95～0.98。總體上，頂板有效寬度有限元計算值較《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）規定減小約30%；底板邊跨有效寬度有限元計算值較《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）規定減小約6%，中跨有效寬度有限元計算值較《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）規定增大約4%。

（3）活載作用下，頂板1#腹板兩側翼緣有效寬度較2#腹板兩側翼緣有效寬度小，底板各道腹板兩側翼緣有效寬度十分接近。

3 結 語

由于交通功能的需要，該橋總寬度為66m，分為三幅橋設計和建設，成為目前國內同類梁橋體系中箱梁斷面最寬的結構，設計和施工中采用一系列新技術和新工藝，具體特點主要如下：

（1）針對城市橋梁寬度較大的需求，用多箱室波形鋼腹板預應力混凝土箱梁取代普通預應力混凝土箱梁，省去傳統的混凝土腹板構造，顯著減輕了橋梁上部節段自重，同時利用波形鋼腹板的褶皺效應提高了預應力的效率，簡化了施工步驟。

（2）為降低橋梁全壽命周期內的養護費用和減少現場養護操作，全橋波形鋼腹板均采用Q355NH D等級耐候鋼材，耐大氣腐蝕能力強，簡化了以往波形鋼腹板橋梁的涂裝方案。依托耐候鋼材的工程應用，開發了配套的焊接工藝和驗收評定標準。

（3）該橋采用大跨度懸臂澆筑施工方案，中間幅和邊幅箱室寬度分別為26m、19m，懸臂澆筑節段很寬，在懸臂澆筑施工中較為罕見，為施工技術上的一個難點。

該工程采用了新型橋梁用成品鋼絞線束，根據設計長度全部在工廠編束、定長下料，工地現場直接整束牽引安裝。可保證所有整束鋼絞線在張拉過程中同步、均勻受力，也節約了大量的穿束施工用時，同時配套使用了符合最新交通行業標準的橋梁用新型鋼絞線塑料波紋管及配套件。

全橋在預應力施工中實施了“預應力張拉智能控制技術”，配套啟用了“有效預應力監測系統”，全程對預應力施工質量進行實時跟蹤測控，確保達到較高的技術標準，極大提高了現場施工質量。

（4）該橋于2018年11月建成，對拓寬波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋在大跨、超寬橋梁范圍的應用具有積極參考意義。