鋼箱拱肋提籃拱橋設計分析

殷 濤， 丁 楠

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

本橋坐落于安徽省渦陽縣東部，是渦陽縣城東北部跨越渦河的關鍵節點。大橋的建設對完善渦陽東部城區路網結構和構筑未來渦陽快速外環體系具有重要意義。

1 主要技術標準[3，4]

(1)道路等級：一級公路(兼城市道路功能)。

(2)設計速度：60 km/h。

(3)汽車荷載等級：公路-I級，人群荷載按規范取3.0 kN/m2。

(4)航道等級：規劃Ⅳ級，通航凈空為90 m×8 m。最高通航水位(10年一遇)為29.85 m。

(5)橋面寬度：行車道單側寬13 m，吊桿區單側寬度2.5 m，單側人非混合道寬4.5 m(含護欄)。全寬40.0 m。

(6)橋面橫坡：雙向2%。

(7)橋面縱坡：+2.50%(小樁號)、-2.483%(大樁號)，主橋跨中處豎曲線半徑R=5 300 m。

2 橋梁方案及構造設計

2.1 橋梁的總體方案[5]

為了減少引橋規模，同時方便兩岸行人通過，橋梁建筑高度宜較低，同時兼顧市區內景觀要求，經綜合比選后選用下承式系桿拱橋，如圖1所示。該橋渦河大橋主橋全長153.9 m，為下承式鋼箱提籃式系桿拱橋，如圖2所示。主拱肋采用雙片鋼箱拱，主跨采用正交異性鋼橋面板，吊桿采用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索.全橋從橋面上看兩拱肋均向內傾斜12°，風撐為掏橢圓孔的異形箱梁，橋梁整體結構新穎簡潔，空間開闊、通透，車輛在橋面行駛時能感覺到視覺沖擊和時代氣息，體現現代橋梁建筑藝術與古人思想的融合之美。

圖1 橋梁效果圖

圖2 總體布置圖

2.2 拱肋設計

拱肋為等截面鋼箱結構，截面高度為2.35 m，橫向寬度為1.85 m。拱肋腹板厚度為30 mm，頂底板厚度為30 mm。

拱肋中心線為二次拋物線形，理論拱軸線腳點位于主縱梁截面中心線上，縱向間距為150 m，在拱軸面內拱肋中心線矢高為30 m，矢跨比為1∶5。

橫橋向拱肋中心線間距從拱腳中心點處29.6 m至跨中位置為17.126 m。雙片拱肋間通過4個大小不同的橢圓孔的異形箱梁風撐進行連接，以保證拱肋的橫向穩定性。

2.3 橋面板設計

橋梁主跨行車道橋面系采用U形正交異性鋼橋面板結構形式，橋面板厚度為18 mm。橋面板由4根倒T型小縱梁進行支撐，間距為5.1 m。外挑的人非混合橋面系頂板厚度為12 mm，采用Ⅰ型加勁肋。

橋面系橫梁采用整板式的橫隔板，分普通橫梁及吊桿區橫梁2種，間距為3.0m.主橋標準橫斷面如圖3所示。

圖3 跨中橋面橫斷面圖

2.4 主縱梁設計

主橋主縱梁高2.2 m，寬3.2 m。縱梁內橫隔板與橋面系橫隔板位置一一對應。全橋鋼箱梁共分為26個梁段，節段標準長度為6 m，拱腳處節段長度為6.5m。

2.5 端橫梁設計[6，7]

主梁端橫梁是全橋結構的關鍵部位之一，如圖4所示，也是構造和受力最復雜的部位。這里處于主梁端橫梁斷面與標準段過渡區域,即主梁和拱肋結合的部位，也是主梁系桿錨固的位置，同時承受巨大的支座反力。此外，還要在橋頭橫隔板外側設置伸縮縫支撐肋。

圖4 端橫梁示意圖

端橫梁高3.0 m，跨中順橋向寬3.04 m，橫橋支座中心線總寬29.135 m。該處需要經過精心布置，既要保證合理安全地傳力，又要避免構造上的矛盾，方便施工。

2.6 吊桿設計

吊桿直接承受來自鋼橋面的恒載、汽車及人群等活載，是下承式拱橋傳力鏈中的重要一環。吊點標準中心距為6 m。橫橋向在鋼縱梁內設錨拉板，采用雙側叉耳吊桿，吊桿中心線向內偏移12°。吊索上端通過拱肋內錨箱張拉固定。吊索采用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索。考慮到疲勞、吊裝及可更換性，吊索設計安全系數取值為2.5。

2.7 系桿設計

渦河大橋系桿索由高強度低松弛鍍鋅防腐預應力鋼絞線制成，外包HDPE保護層，共8根，單側4根，設在鋼縱梁內，錨固在拱腳支座附近。鋼絞線系桿索設計安全系數為2.0。

2.8 橋面鋪裝設計

通過對鋼橋面鋪裝方案比選分析，渦陽大橋主橋的行車道橋面鋪裝采用超薄層鋼橋面鋪裝，薄層鋪裝是由磨耗表層(改性聚合物)+抗裂彈性中間層(改性聚合物)+防水黏結層(改性聚合物、具有鋼橋面板防腐功能)組成。鋪裝總厚度為12 mm。

2.9 下部結構設計

主橋過渡墩采用三柱式橋墩，橋墩中心線與主橋支座中心線對齊，橋墩直徑4.0 m。橋墩蓋梁采用高低蓋梁形式，蓋梁頂高差1.1 m，總高3.6 m，總寬4.3 m。

主墩基礎采用承臺接群樁基礎。3個分離的鋼筋混凝土承臺間通過系梁連接，承臺高度3.5 m，承臺下采用10根直徑2.0 m的鉆孔灌注摩擦樁。

3 結構分析

3.1 靜力分析

建立全橋離散模型，如圖5所示，按照現行公路橋梁規范對主橋總體和局部進行靜力分析。驗算的內容有主拱肋強度、主縱梁強度、小縱梁強度、橫梁強度、橋面板強度和疲勞應力、端橫梁局部應力、吊桿力、系桿力、主拱肋和主梁變形、成橋和施工階段穩定性、主拱肋局部穩定計算等。經計算，該橋強度、剛度等能均能滿足規范要求，主要部分計算結果如圖6～圖8所示。

圖5 全橋離散模型圖

圖6 拱肋及主梁上、下緣應力包絡圖(單位：MPa)

圖7 拱肋及主梁豎向位移(單位：mm)

圖8 端橫梁局部分析

3.2 結構動力特性

主橋的前四階動力特性分析結果如圖9～圖12所示。

圖9 一階豎向反對稱振型(f=2.5 Hz)

圖10 二階豎向正對稱振型(f=6.4 Hz)

圖11 三階扭轉振型(f=8.78 Hz)

圖12 四階扭轉振型(f=8.84 Hz)

3.3 整體穩定性分析[8]

不考慮活載，前四階失穩模態及特征值系數如圖13～圖16所示，該橋的穩定性能滿足規范要求。

圖13 一階失穩模態(特征值14.17)

圖14 二階失穩模態(特征值14.25)

圖15 三階失穩模態(特征值17.07)

圖16 四階失穩模態(特征值19.47)

4 結 論

(1) 系拱橋橋型可以很好地滿足跨度大、建筑高度小的橋型要求,同時也縮短了引橋和坡道長度，實現了橋兩邊與相交道路的順利銜接，優化了兩側土地的使用，也降低了工程總造價。

(2) 該橋的建筑景觀設計選用恰當的拱肋矢高比和內傾角，風撐采用帶橢圓孔的形式，整座橋造型新穎別致，線形流暢簡潔。橋梁建成后，成為當地的新地標。

(3) 端橫梁為拱梁結合段，受力要求高且復雜，鋼板縱橫交錯。精心設計的方案，既保證了合理安全地傳力，又避免了構造上的矛盾，方便施工。

(4) 該橋橋面鋪裝采用了鋼橋面超薄層鋪裝，不僅可以有效減輕橋梁橫載，提高安全儲備，延長使用壽命，同時薄層橋面鋪裝還具有優良的抗滑、耐磨、耐久、施工簡單、便于養護的特點。