關(guān)于人非分離吊桿拱橋受力分析的研究

劉鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司天津分公司，天津300042）

1 引言

吊桿拱橋是將梁和拱2 種基本結(jié)構(gòu)相組合，共同承受荷載，使梁板的受力通過吊桿傳遞到拱肋，再通過拱肋傳遞到下部結(jié)構(gòu)。其兼有拱橋的較大跨越能力和梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強(qiáng)的2 大特點(diǎn)。當(dāng)橋面高程受到嚴(yán)格限制而橋下又要求保證較大的凈空，或當(dāng)墩臺(tái)基礎(chǔ)地質(zhì)條件不良易發(fā)生沉降，但又要保證較大跨徑時(shí)，吊桿拱橋是較好的選擇。

本文研究的昌平路橋位于上海市中心城的中部，跨越蘇州河，處于蘇州河?xùn)|段，介于恒豐路橋、普濟(jì)路橋之間，呈東西走向。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

昌平路橋沿線南北兩側(cè)現(xiàn)狀主要為商業(yè)服務(wù)和行政辦公場所，交通比較繁忙，且上海火車站位于秣陵路以北，人流量非常高。基于此，人行道與車行道分離設(shè)置，能最大限度減少人車互相干擾的問題，且能實(shí)現(xiàn)行人短暫駐足、休息，欣賞蘇州河兩岸美景的功能。

弧形跨越河道的拱肋結(jié)構(gòu)，自身尺寸纖細(xì)，因而很少影響視線。拱肋在尺度和空間造型上一般都與周邊建筑幾何形狀形成鮮明的對比，這種環(huán)境下的橋梁造型很容易給人們留下美好的印象。

要實(shí)現(xiàn)人非分離，從節(jié)約材料方面考慮，主梁結(jié)構(gòu)需要在主拱處分開。人行道部分主梁剛度較小，受力之后變形較大，副吊桿處索力不能出現(xiàn)壓力，對于橫梁的布置要求較高。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 橋梁總體布置

橋位處河道現(xiàn)狀寬約50m，主跨跨徑選擇為59.862m，同時(shí)根據(jù)平面布置，橋梁按照斜交13°布置。橋梁主橋立面如圖1 所示。

橋梁橫斷面（見圖2）布置為：3.75m（人行道）+4.5m（索區(qū)）+2.0m（主拱區(qū)）+0.5m（防撞護(hù)欄）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+21.5m（機(jī)動(dòng)車道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+2.0m（主拱區(qū)）+4.5m（索區(qū)）+3.75m（人行道）=50m。

圖1 主橋立面圖

圖2 跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置

3.2 橋梁上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 主梁

主梁采用雙主梁與橫梁組成的結(jié)構(gòu)形式，跨中標(biāo)準(zhǔn)梁高1.7m，支點(diǎn)加高至1.85m，橋梁車行道橫坡為2%，人行道為1%，底面保持水平，保證通航凈空。兩側(cè)人行道平面呈圓弧布置，半徑約為78m。主縱梁寬2m，沿車行道布置；邊縱梁寬1.2m，縱橋向呈圓弧形起拱，半徑約為242m，沿人行道布置；車行道中央設(shè)置3 道小縱梁。

橫梁間距3m，為工字型斷面，高度與主縱梁相同，底板寬0.5m，與主縱梁呈77°夾角，吊桿通過耳板與橫梁連接。

3.2.2 拱肋

拱肋采用拋物線，矢跨比為1/5.4，橋面以上拱肋高度9.866m。拱肋為矩形鋼箱粱，斷面高1.2m，寬1m。吊桿隔板間距3m，吊桿在拱肋上采用耳板的形式連接。

3.2.3 吊桿

吊桿為拱橋的主要受力構(gòu)件，本橋的吊桿采用平行鋼絲成品索，主吊桿采用PES（FD）7-73，副吊桿采用PES（FD）7-37。吊桿間距3m，上下均采用耳板與結(jié)構(gòu)相連，全橋共34 根主吊桿及34 根斜吊桿。

3.2.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋臺(tái)采用埋置式橋臺(tái)。

3.2.5 主要材料

下承式系桿拱橋：Q420qD 鋼材；

橋臺(tái)：C40 混凝土；

樁基：C35 水下混凝土。

4 橋梁受力分析

根據(jù)總體布置，對下承式系桿拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1.1 恒載

一期恒載：包括主拱、主梁自重，鋼材材料容重為78.5kN/m3；

二期恒載：橋面鋪裝容重為24kN/m3。

4.1.2 活荷載

車輛荷載：車輛荷載為城-A；雙向6 車道+2 非機(jī)動(dòng)車道；

人群荷載：按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定取用；

溫度荷載：考慮整體均勻溫升25℃，整體均勻溫降-25℃；風(fēng)荷載：基本風(fēng)速為33.8m/s。

4.1.3 荷載組合

根據(jù)JTG-D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需按承載能力極限狀態(tài)基本組合驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定性，作用組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值按JTG-D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2]規(guī)定計(jì)算。

4.2 計(jì)算模型

全橋總體靜力分析采用Midas-Civil 空間分析程序，對各種荷載工況下橋梁的成橋階段和施工階段進(jìn)行受力和位移分析。模型采用空間桿系結(jié)構(gòu)，系梁、端橫梁、中橫梁按實(shí)際截面形式用梁單元模擬，吊桿用桁架單元模擬。圖3 為主橋模型圖。

4.3 剛度計(jì)算

主拱的活載最大豎向位移為8mm；橫梁的活載計(jì)算撓度f=1+26=27mm，小于L/500=63mm，滿足規(guī)范要求。

圖3 主橋模型圖

4.4 吊桿計(jì)算

吊桿在成橋階段、運(yùn)營階段最不利荷載組合下索力如圖4所示。

圖4 吊桿成橋索力圖（單位：MPa）

主吊桿選用PES5-109，輔助斜吊桿選用PES5-19。吊桿運(yùn)營階段標(biāo)準(zhǔn)組下吊桿最大應(yīng)力分別為σ=454MPa，安全系數(shù)k=fpk/σ=3.68＞2.5，滿足規(guī)范要求。

吊桿在疲勞荷載計(jì)算模型下，吊桿應(yīng)力幅ΔσP=49.2MPa，根據(jù)JTG-D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.2.2節(jié)，平行鋼絲束的ΔσD=137MPa，ΔσP=49.2MPa≤KsΔσD/ΥMf=137/1.35=101MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5 上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

上部結(jié)構(gòu)在成橋階段基本組合應(yīng)力如圖5 所示，上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力見表1。

圖5 上部結(jié)構(gòu)基本組合下的正應(yīng)力包絡(luò)圖

表1 上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力

4.5.1 拱肋

由上述應(yīng)力圖和表可以看出，在基本組合下拱肋最大拉應(yīng)力為186MPa，最大壓應(yīng)力為-283MPa。整體穩(wěn)定折減系數(shù)為1，容許壓應(yīng)力為320MPa＞283MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

主拱肋面外、面內(nèi)最大剪應(yīng)力分別為19.6MPa 和12.8MPa，基本組合下鋼材容許剪應(yīng)力185MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5.2 縱梁應(yīng)力

由上述應(yīng)力圖和表可以看出，在基本組合下主縱梁最大拉應(yīng)力為103.7MPa，最大壓應(yīng)力為-111MPa；邊縱梁最大拉應(yīng)力為83.4MPa，最大壓應(yīng)力為-40.3MPa，均小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.3 橋面板應(yīng)力

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下橋面板最大等效應(yīng)力為133.5MPa，小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.4 小縱梁

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下小縱梁最大拉應(yīng)力為231MPa，最大壓應(yīng)力為-135.3MPa，小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.5 橫梁

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下系梁段橫梁最大拉應(yīng)力為104.6MPa，最大壓應(yīng)力為-96.1MPa，小于鋼材容許應(yīng)力320MPa；在基本組合下系梁段橫梁最大剪應(yīng)力為32.3MPa，小于鋼材容許應(yīng)力185MPa，滿足規(guī)范要求。

總體來看，除與系梁相交節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力突變最大值為193.6MPa，在基本組合下中間橫梁最大拉應(yīng)力為138.6MPa，最大壓應(yīng)力為-147.4MPa，小于鋼材容許應(yīng)力320MPa；在基本組合下中間橫梁最大剪應(yīng)力為53.7MPa，出現(xiàn)在橫梁與系梁相交處，小于鋼材容許應(yīng)力185MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.6 拱肋穩(wěn)定計(jì)算

主橋在恒載、活載作用下，以主拱的側(cè)向失穩(wěn)（見圖6）為主要的整體失穩(wěn)模態(tài)，最小的穩(wěn)定系數(shù)為152，滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

圖6 拱肋側(cè)向失穩(wěn)

5 結(jié)語

通過上述模型計(jì)算結(jié)果可知，吊桿在成橋階段、運(yùn)營階段索力均小于拉索設(shè)計(jì)拉力，且沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；橋面板、拱肋及縱橫梁在基本組合下的應(yīng)力均小于鋼材的允許應(yīng)力值；主橋最小穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。該橋梁結(jié)構(gòu)是安全可靠的，滿足設(shè)計(jì)要求，有足夠的安全儲(chǔ)備。

人行道與車行道分離，中間通過強(qiáng)橫梁連接，保證了人行道部分的整體剛度，且副吊桿在全過程中沒有出現(xiàn)壓力，說明了吊桿布置的合理性。

本方案中人非分離的吊桿拱橋，實(shí)現(xiàn)了大流量人群過河、駐足賞景，還能提高橋梁的景觀效果，很好地滿足了橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。