城市大斷面鋼系桿拱橋橋型整體構(gòu)思及設(shè)計(jì)

李宗偉 ,陳濤 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088）

1 工程概況

隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化城市的不斷涌現(xiàn)，橋梁常常會成為一個(gè)城市的標(biāo)志，人們對于城市橋梁的景觀性也提出了更高的要求，除滿足其正常使用功能外，對橋梁美學(xué)效果也在逐步加強(qiáng)。城市景觀橋梁的建設(shè)已成為大多數(shù)城市發(fā)展必不可少的要素[1]。

阜陽市位于安徽省西北部，淮河以北，西部、西南部與河南省周口、信陽兩市相鄰，北部、東北部與亳州市相連，南部、東南部與淮南市、六安市為鄰。阜陽市城市空間布局結(jié)構(gòu)為“雙核四軸，三區(qū)七片”。雙核為依托現(xiàn)有城市中心發(fā)展起來的三角洲城市中心，和城南新區(qū)新崛起的雙清灣城市中心；四軸是指東西向一主兩副的城市發(fā)展軸，和一條縱貫?zāi)媳钡某鞘邪l(fā)展軸，城市發(fā)展軸將主要的城市中心和副中心等連接起來。三區(qū)七片是以目前的潁州、潁泉和潁東三個(gè)行政區(qū)為基礎(chǔ)，將中心城區(qū)劃分為相對獨(dú)立、規(guī)模適中的七個(gè)城市片區(qū)，形成多中心組團(tuán)式的空間發(fā)展格局，便于城市規(guī)劃管理與建設(shè)引導(dǎo)。阜陽市路網(wǎng)規(guī)劃圖如下圖1所示。本項(xiàng)目是東二環(huán)中的節(jié)點(diǎn)工程，對于二環(huán)的貫通意義重大。項(xiàng)目起點(diǎn)北接和諧路，向南跨越潁河、河濱路東路，南至蓮花路，全長1934.344m。

圖1 阜陽市路網(wǎng)規(guī)劃圖

2 方案設(shè)計(jì)

對于具有較高景觀要求的城市橋梁，橋型的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，針對于本工程而言，橋梁位于二環(huán)市內(nèi)，景觀要求極高。橋梁方案總體構(gòu)思時(shí)，在確保道路通行的基本功能前提下，以“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、新穎”為原則，選用技術(shù)先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便可行、結(jié)構(gòu)安全耐久的橋型方案，力求實(shí)現(xiàn)“一橋一景”的目的[2]。相比于斜拉橋，拱肋結(jié)構(gòu)線條較柔和，橋面上的構(gòu)筑物高度適中；相比懸索橋，拱肋比主纜更具有現(xiàn)代氣息，與周圍的環(huán)境更匹配[3]。最終選取方案為三跨飛燕式鋼箱系桿拱橋，橋梁效果圖見圖2。

圖2 阜陽市向陽路穎河大橋效果圖

2.1 橋梁總體布置

主橋跨徑布置為（47+148+47）m，主橋全長242m，為三跨梁拱組合體系橋梁。拱圈為雙片鋼箱拱。橋梁從立面上看為飛燕式造型，從橫斷面上看，配合風(fēng)撐效果，呈門式造型。橋梁結(jié)構(gòu)上，主跨與兩側(cè)邊跨構(gòu)成三跨連續(xù)梁拱組合受力體系，其中，主跨本身為下承式系桿拱橋，吊桿采用剛性與柔性組合系桿。橋型總體布置如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖4所示。

圖3 橋型總體布置圖（單位：mm）

圖4 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 拱圈

主拱圈采用二次拋物線形，矢跨比為1:4。邊跨拱圈為為圓曲線形，拱腳位置處拱圈上、下緣線為二次拋物線與圓弧線的組合線型，靠近中墩處，上緣采用半徑220m的反切圓弧對拱圈上緣線進(jìn)行過渡，順接至邊跨；下緣采用半徑125m的正切圓弧與順接拱腳箱梁。中墩處采用鏤空處理，局部采用小半徑圓弧線進(jìn)行過渡，拱圈構(gòu)造總圖如圖5所示。

圖5 拱圈總體構(gòu)造圖（單位：mm）

3.2 主梁

橋梁中跨橋面系采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式。橋面板厚度為16mm，橋面板由5根I型小縱梁進(jìn)行支撐，小縱梁梁高為1750mm，間距為5.1或5.7m，鋼板厚度為20mm，橫梁采用整板式的橫隔板，橫隔梁間距為3.0m。橫梁厚度均為20mm。橫梁與兩側(cè)主系梁通過高強(qiáng)螺栓連接。主橋邊跨部分采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式。主墩處梁高為5.5m，通過16m的二次拋物線過渡段，向邊墩方向過渡至2.5m梁高。橫橋向?yàn)閱蜗浒耸医Y(jié)構(gòu)。箱梁內(nèi)腹板均為厚度20mm的鋼板，頂?shù)装搴穸染鶠?6mm，局部加厚至24mm。縱橋向每隔4m設(shè)一道橫隔板，橫隔板為厚度12mm的鋼板，高度為600mm。邊跨及中跨斷面圖如下圖6和圖7所示。

圖6 中跨標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：mm）

圖7 邊跨墩頂斷面圖（單位：mm）

3.3 吊桿

本設(shè)計(jì)吊桿要求具有可更換性。吊桿采用Φ 15-15環(huán)氧無粘結(jié)鋼絞線整束擠壓式吊桿體系。吊桿索直接承受來自組合梁的恒載及汽車、人群等活載。本橋吊桿沿橋軸水平向吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中心距為6.0m。吊桿采用鋼絞線整束擠壓式拉索體系，采用HDPE護(hù)套索體，上、下端錨點(diǎn)均為穿銷鉸。考慮到疲勞、吊裝及可更換性，吊桿索設(shè)計(jì)安全系數(shù)不小于2.5[4]。

3.4 施工方法

主橋上部結(jié)構(gòu)采用先梁后拱的施工方案[5]，先進(jìn)性兩側(cè)邊跨鋼箱梁的施工，再進(jìn)行跨中主梁施工，以主梁為平臺進(jìn)行鋼箱拱肋的施工，全橋構(gòu)件均采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場進(jìn)行組裝，逐一張拉吊桿[6]，以確保結(jié)構(gòu)安全，主體結(jié)構(gòu)施工簡圖如下圖8所示。

4 整體計(jì)算

本橋整體計(jì)算采用橋梁通用有限元軟件MIDAS進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型采用空間桿系模型，拱肋、主梁、風(fēng)撐采用空間梁單元進(jìn)行模擬，吊桿及系桿采用桁架單元模擬，拱腳和拱座出采用剛臂連接，支座采用一般支座進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)整體有限元模型如下圖9所示。

4.1 結(jié)構(gòu)總體計(jì)算

結(jié)構(gòu)總體計(jì)算荷載取值包括：結(jié)構(gòu)自重、二期橫載、活載（車道荷載及人行荷載）、支座不均勻沉降及溫度荷載。主要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖8 上部結(jié)構(gòu)施工簡圖

圖9 有限元整體計(jì)算模型

圖9 使用階段主拱應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 鋼系梁使用狀態(tài)下應(yīng)力圖（單位：MPa）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，在使用階段主拱最大壓應(yīng)力為178.1MPa，發(fā)生在拱腳位置處；最大拉應(yīng)力為105.5MPa，發(fā)生在支座附近處。主拱肋受力較為均勻，處于受壓狀態(tài)在使用階段鋼系梁最大壓應(yīng)力為96.9MPa，發(fā)生在中支座附近。最大拉應(yīng)力為105.2MPa，發(fā)生在中支座附近。鋼系梁應(yīng)力能滿足強(qiáng)度要求。

4.2 結(jié)構(gòu)動力計(jì)算

考慮到本橋位于位于城市主干路內(nèi)，車流量較大，同時(shí)考慮橋面較寬，需保證一定的剛度，故提取結(jié)構(gòu)的前5階陣型，如下表所示。

全橋前5階頻率和陣型

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果表明，拱肋面內(nèi)外陣型出現(xiàn)較早，反應(yīng)出該橋橫向穩(wěn)定性問題較為突出，設(shè)計(jì)中采用風(fēng)撐結(jié)構(gòu)加強(qiáng)面外強(qiáng)度，同時(shí)該橋一階拱肋橫彎頻率為0.575，超過一半單孔剛性拱橋（0.3～0.4）[7]，其余頻率均超過1.0，表明該橋具有較好的豎向剛度指標(biāo)。

5 結(jié)束語

向陽路潁河大橋作為阜陽市二環(huán)路的重點(diǎn)工程，具有較高的景觀要求。通過對各種橋型的綜合比選，該橋最終采用47m+148m+47m的飛燕式鋼箱系桿拱橋，橋梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)美，立體空間強(qiáng)，有效的實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)與橋梁美學(xué)的統(tǒng)一，該橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算表明橋梁的靜動力性能均能滿足要求。