畢升路簡支系桿拱橋總體設計研究

宋陽運

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市201204）

1 概 述

畢升路跨川楊河橋位于上海市浦東新區張江國家實驗室單元，是張江科學城的核心科創功能片區，橋位東側為正在建設中的硬X射線項目。

由于硬X射線為高敏感設施，為避免該項目投入使用后周邊道路建設對其產生不良影響，要求新區同步配套建設一批市政項目。在此大背景下，本文項目建設被提上日程并展開相應工作。

主跨橋梁設計采用計算跨徑81m、全長85m下承式簡支系桿鋼箱拱橋，失高為16.2m，矢跨比1/5，拱軸線采用二次拋物線，拱肋截面高從拱頂1.5m漸變到拱腳2.5m；橋面總寬為24.0m，吊桿間距6.0m，全橋共設置11對吊桿；下部結構采用雙柱墩樁基礎，引橋與主橋連接采用鋼牛腿結構（見圖1）。橋梁總體效果如圖2所示。

圖1 系桿拱橋立面布置圖（單位：cm）

主跨橋梁為跨越川楊河而設；川楊河為Ⅴ級通航航道，道路中心線法向與河道中心線順交14.7°。南、北引橋采用上海市通用剛接空心板梁結構，北引橋因受下穿輔道條件所限，孔跨布置采用2×18m+2×20m，南引橋孔跨布置采用2×22m，下部結構為鉆孔灌注樁基礎。

圖2 橋梁總體效果圖

2 技術標準

（1）道路等級：城市支路。

（2）設計荷載：城-B級，人群荷載3.3 kN/m2。

（3）主橋標準斷面：3.0m（人行道含欄桿）+2.0m（拱肋區含欄桿）+14.0m（車行道）+2.0m（拱肋區含欄桿）+3.0m（人行道含欄桿）=24.0m（橋面總寬）。

（4）抗震設防烈度：根據上海地區地震基本烈度分布圖，該工程屬地震基本烈度7度地區，該工程橋梁結構按烈度7度設防；建設場地為Ⅳ類，橋梁結構地震動峰值加速度0.12g，抗震設防類別為丁類。

（5）設計基本風速：33.8m/s（1/100）。

3 結構設計

3.1 結構形式的確定

3.1.1 拱肋結構形式

對于下承式簡支梁拱組合橋梁，目前在城市橋梁中較多采用的拱肋結構有鋼管混凝土和鋼箱結構。一般較常規使用的拱肋結構形式如圖3所示。中等跨徑鋼管拱肋可整體吊裝架設，安裝就位后從拱腳向拱頂泵送混凝土完成拱肋施工。由于拱肋輕、剛度大，灌注混凝土時由鋼管兼作模板，大大方便了施工。但鋼管混凝土拱肋容易因施工不當造成鋼管內混凝土灌注不密實，以及混凝土收縮引起鋼管和混凝土之間出現裂縫，施工質量較難保障；且從歷年來一些已建鋼管混凝土拱肋橋梁病害調查情況來看，出現主要的病害是鋼拱內混凝土脫離。

圖3 拱肋截面形式

拱肋作為鋼結構壓彎構件設計，受力明確，設計計算思路清晰，且鋼箱拱肋可工廠制作，質量有保障，因此該項目推薦采用鋼箱拱肋。

3.1.2 拱肋穩定性

拱肋不同的布置形式對主橋的整體屈曲穩定有不同的影響，下面通過分析拱肋不同傾角對結構屈曲穩定的影響關系，得到相應的設計經驗。拱肋傾角與結構屈曲穩定系數關系見表1，如圖4所示。

表1 拱肋傾角與結構屈曲穩定系數關系

圖4 拱肋傾角與結構屈曲穩定系數

通過以上分析可知，在一定范圍內拱肋內傾角與屈曲穩定系數成正比關系，結合實際情況，該工程選取拱肋內傾角13°進行設計。

3.2 結構設計

3.2.1 加勁梁

加勁梁采用雙邊箱鋼混凝土組合梁形式，鋼梁采用Q345qd鋼材，標準梁高1.91m（含橋面板），支座處梁高加高到2.5m（含橋面板）。混凝土橋面板厚0.22m。梁寬24m，系梁側懸挑3.0m，橫隔板間距3m，如圖5所示。

圖5 標準橫斷面圖（單位：mm）

3.2.2 拱肋

拱肋矢跨比1/5，拱肋中心軸線采用二次拋物線，內傾13°，鉛直投影面內矢高為16.2m；拱肋采用箱形截面，截面高度從拱頂1.5m漸變到拱腳2.5m；拱肋吊桿處設置豎直橫隔板，吊桿間距6m，豎直橫隔板間設置兩道垂直于拱肋中心線的橫隔板。

3.2.3 吊桿

吊桿采用鍍鋅鋁高強平行鋼絲索，型號為PES（C）7-1770-61-ZnAl，吊桿間距為6.0m，為單吊桿布置，全橋共22根，錨具為PESM-4150。吊桿兩端錨固均采用冷鑄錨接耳叉銷軸錨固形式，梁端設張拉端，采用單螺桿調節，銷軸設自潤滑向心關節軸承，以適應順橋向變位，拱肋端為固定端。吊桿安全系數均大于3.0。

3.2.4 主橋下部結構

主橋橋墩采用2.5m×2.5m柱式墩，橫橋向為兩個立柱。基礎均采用鉆孔灌注樁，混凝土采用C30水下混凝土，樁基采用直徑1.0m鉆孔樁，每個墩19根，樁長50m。樁端持力層為地質報告建議的第7-2b層粉砂層，承臺厚3.0 m，為啞鈴形，承臺底設10 cm厚素混凝土墊層，標號C25。

3.2.5 引橋下部結構

引橋橋墩采用獨柱墩蓋梁，蓋梁順橋向寬度2.0m，橫橋向寬度8.5m，根部梁高1.8m；橋墩蓋梁頂及橋臺臺帽設雙向2.0%橫坡。橋墩、橋臺基礎采用直徑0.8m鉆孔樁，樁長45m，橋墩承臺厚2.0m，橋臺承臺厚1.5m。

3.2.6 支座支撐體系

主橋主梁每個橋墩橫橋向采用兩個抗震球鋼支座JQZ（Ⅱ）-9.0；引橋剛接空心板梁采用GYZ250×52mm板式橡膠支座。

4 結構計算

4.1 靜力計算

靜力計算采用midas Civil橋梁結構專用有限元分析軟件計算，建立模型如圖6所示。

圖6 主橋靜力計算模型

計算荷載如下：

（1）結構自重：鋼材78.5 kN/m3；混凝土26 kN/m3。

（2）二期荷載：鋪裝，防撞護欄、扶手欄桿等其他附屬結構。

（3）人群荷載：按照《城市橋梁設計規范》（CJJ11—2011）計算取值，3.3 kN/m2。

（4）汽車活載：城-B級。

（5）溫度荷載：整體升、降溫度，鋼梁截面梯度溫度按BS5400取用，拱肋截面梯度升、降溫。

（6）風載：按《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/TD60-01—2004）取用，分別考慮橫向及縱向風荷載。

靜力計算主要從以下幾個方面驗算各構件受力情況：運營階段應力（基本組合），考慮局部穩定、整體穩定折減系數；吊桿力；主橋剛度；斷索工況結構受力；結構疲勞計算；主橋穩定計算等。

4.2 動力計算

該工程道路等級為城市支路，根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011），采用丁類橋梁進行設防，抗震設計方法選用B類。

抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度系數為0.1g，該場地類別為Ⅳ類。按照《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）規定，場地地震動峰值加速度調整系數為1.2，地震設計加速度反應譜特征周期為0.75 s。橋梁抗震設防類別為丁類，E1地震調整系數Ci=0.35。

計算采用midas Civil建立全橋的抗震分析計算模型。模型中建立承臺單元，并在各樁基位置設置了節點，樁基采用具有6個自由度的彈簧對其進行模擬，剛度系數由“m”法確定。按實際結構設計模擬，計算模型如圖7所示，E1反應譜如圖8所示。

動力計算主要從以下幾個方面驗算各構件受力情況：結構動力特性分析；地震作用下結構響應；結構抗震性能驗算；地震支座驗算；抗震體系驗算結論及設計建議等。

圖7 動力計算模型

圖8 E1 地震水平加速度反應譜

橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎，為了計算在不同設防水準地震作用下的結構動力響應，必須首先進行橋梁結構的動力特性分析。

橋梁二期恒載、自重均轉換為節點質量施加于上部結構主梁相應的節點上。特征值分析采用RITZ方法，取計算前200階振型（見表2）。

表2 主跨橋梁成橋狀態結構動力特性

4.3 結果分析

（1）靜力計算結果。構件應力最大處為拱頂壓應力，考慮折減系數后，最大壓應力為190 MPa，滿足極限承載力強度設計要求。

（2）該結構加勁梁受力體系為橫梁受力體系，結構高度由橫梁受力計算確定。

（3）橋址處為抗震不利地段，結構設計考慮采用質量較小結構，以減小下部結構地震作用響應。經動力計算分析并對比靜力計算結果，結構采用由自身抵抗E1地震作用下受力響應即可。

（4）在橋墩處設計縱橫向抗震擋塊，從橋梁抗震構造措施上滿足基本烈度的要求。

5 結 語

（1）該工程上部結構采用鋼結構材質，質量較小，減小了下部結構地震受力響應。

（2）拱肋采用鋼箱結構，受力明確，結構輕盈；且拱肋選擇合適的內傾角，增加了結構的整體穩定性。

（3）因系梁結構高度較小，吊桿錨固采用冷鑄錨接耳叉銷軸錨固形式，采用單螺桿調節，銷軸設自潤滑向心關節軸承，以適應順橋向變位，該部分結構設計也是該橋設計特點之一。

（4）該工程建設場地較為復雜，涉及高壓線保護區、硬X射線保護區、跨越重要航道、橋梁結構離道路平交口很近及建設場地為抗震不利地段等，推薦設計橋型方案是通過多方案設計比選后確定，可為有類似建設條件項目提供設計方案思路。