空間網(wǎng)狀吊桿拱橋的設(shè)計(jì)與分析

顏心園， 李 龍， 施文杰

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

網(wǎng)狀吊桿拱橋是具有至少相互交叉兩次的傾斜吊架的系桿拱橋。Tveit[1]最早在博士論文期間提出并開始研究網(wǎng)狀拱橋，詳細(xì)介紹其極具競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)。而后網(wǎng)狀拱橋不斷發(fā)展，在歐洲及日本已建近百座[2,3]。2014年建成的網(wǎng)狀吊桿拱橋——新西伯利亞布格林斯克橋，跨徑已達(dá)380 m。張坤[4]指出網(wǎng)狀吊桿可以改變結(jié)構(gòu)的受力，使拱的彎矩重新分配，使拱肋的受力更均勻，同時(shí)改善拱肋面內(nèi)剛度，與直吊桿拱橋相比結(jié)構(gòu)的變形明顯減小(約41.8%)。李亞東[5]指出，網(wǎng)狀吊桿拱橋不僅可用于大跨度公路和鐵路橋，也有潛力在高鐵橋梁領(lǐng)域內(nèi)一試身手。網(wǎng)狀拱橋有著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，我國鐵路橋率先引入尼爾森拱，已建多座80 m、96 m、112 m及128 m跨度斜吊桿拱橋，但公路橋梁應(yīng)用較少。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

本文以某跨大堤90 m網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋?yàn)楸尘啊蛎婵v坡為2.5%。

跨堤橋橫斷面布置如圖1所示，具體為:1.525 m(拱圈)+2 m(人行道)+2.5 m(硬路肩)+8.25 m(車行道)+3.5 m(中間帶含護(hù)欄)+ 8.25 m(車行道)+2.5 m(硬路肩)+2 m(人行道)+1.525 m(拱圈)，全寬32.05 m。

圖1 橋梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

1.2 總體布置

跨堤橋?yàn)?0 m跨簡(jiǎn)支網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋，矢跨比為1/5。

圖2 橋梁總體布置圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 拱肋及風(fēng)撐設(shè)計(jì)

本橋主拱肋由兩片平行拱肋組成，拱肋橫向中心間距30.5 m。拱軸線由三段圓弧形組成，矢跨比為1/5。如圖3所示，拱圈共劃分為7個(gè)節(jié)段：梁拱結(jié)合段(2個(gè))、拱肋B和C節(jié)段(各2個(gè))、跨中A節(jié)段(1個(gè))。

圖3 拱肋節(jié)段劃分圖(單位：cm)

拱肋采用分段變厚鋼箱截面，截面高2.0 m，寬1.5 m，鋼箱壁板設(shè)置I型加勁肋。從梁拱結(jié)合段至跨中段，拱肋頂?shù)装搴裼?4 mm漸變至16 mm，腹板厚度由28 mm漸變?yōu)?6 mm。拱肋根據(jù)受力及吊桿、風(fēng)撐等構(gòu)造需求，設(shè)置三種類型橫隔板，依次為吊桿處橫隔板、非吊桿區(qū)完整截面橫隔板、非吊桿區(qū)半截面橫隔板。

本橋橋?qū)捿^寬，設(shè)置橫向風(fēng)撐改善拱肋橫向穩(wěn)定性。通過對(duì)比一字型、K型、X型三種風(fēng)撐，推薦采用簡(jiǎn)潔的一字型橫撐。全橋共設(shè)置3道橫向風(fēng)撐，風(fēng)撐截面高1.6 m、寬1.4 m；箱型截面鋼板厚均為16 mm。

2.2 橋面系設(shè)計(jì)

跨堤橋橋面系采用正交異性鋼橋面板，橋面板厚14 mm，焊接與鋼縱梁上。橋面板設(shè)置4根倒T型小縱梁，小縱梁梁高為1.0 m，橫向間距為6.0 m，腹板厚度為16 mm，底板厚度為20 mm。小縱梁之間設(shè)置U型加勁肋，U肋橫向間距為600 mm。中央分隔帶及硬路肩下頂板設(shè)置I型加勁，加勁肋厚14 mm，間距300 mm。

考慮吊桿錨固需要，橋面系跨中橫梁均為吊桿大橫梁，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.25 m,橫梁高度為2.0 m(系梁處)～2.5 m(跨中)。橫梁與主縱梁采用栓接。

由于橋面橫向?qū)?9 m，綜合比較鋼混混凝土組合橋面板、鋼橋面板及鋼纖維混凝土組合面板[6]，推薦采用8 cm厚C50鋼纖維混凝土+10 cm瀝青混凝土，設(shè)置直徑16 mm剪力栓釘。組合橋面系避免了混凝土板較重及張拉預(yù)應(yīng)力問題，不需要模板，便于快速化施工，同時(shí)避免了鋼橋面鋪裝的黏結(jié)性問題。

2.3 鋼縱梁設(shè)計(jì)

鋼縱梁采用等截面鋼箱斷面，梁高2.0 m，寬1.5 m。縱梁頂?shù)装濉⒏拱鍨榉侄巫兒皲摪濉?/p>

鋼縱梁采用剛性鋼梁與柔性系桿共同受力，即柔性系桿分擔(dān)部分恒載水平推力，鋼縱梁承擔(dān)剩余恒載和活載水平分力。這樣不僅發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼絞線柔性系桿的抗拉性能，而且鋼縱梁做得更纖細(xì)更薄。柔性系桿采用單絲涂覆環(huán)氧無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單側(cè)主縱梁設(shè)置4束-12股Φs15.2環(huán)氧鋼絞線。

2.4 吊桿設(shè)計(jì)

本橋吊桿采用可更換無黏結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索。吊桿上端采用錨管式錨固，下端采用耳板銷鉸式錨固形式。

初步設(shè)計(jì)階段，與直吊桿相比較，網(wǎng)狀吊桿布置活載豎向變形減小37%；一階豎彎基頻由1.54 Hz(直吊桿)變至2.26 Hz(網(wǎng)狀吊桿)，拱肋一階側(cè)傾頻率由1.067 Hz(直吊桿)變?yōu)?.069 Hz(網(wǎng)狀吊桿)。鑒于網(wǎng)狀吊桿較大地提高豎向剛度，最終采用網(wǎng)狀吊桿布置形式[7,8]。

本橋網(wǎng)狀吊桿為梁上等間距等傾角斜交吊桿[9]，吊桿與吊桿夾角為45°，吊桿與水平面夾角為67.5°，吊桿梁上錨固標(biāo)準(zhǔn)間距為3.25 m，端部間距3.6 m，交叉吊桿橫向間距為0.3 m。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

運(yùn)用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，如圖4所示,對(duì)跨堤橋進(jìn)行總體計(jì)算分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行有限元模擬分析。通過模擬分析跨堤橋施工及運(yùn)營等各工況的受力與位移情況，如圖5～圖7所示，主要計(jì)算結(jié)論如下：

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

圖5 成橋階段拱肋軸力圖(單位：kN)

圖6 成橋階段拱肋彎矩圖(單位：kN·m)

圖7 汽車活載作用下系梁豎向位移圖(單位：mm)

(1)成橋階段下，拱肋最大軸力為9 723.1 kN，拱肋彎矩除拱腳及拱肋擾動(dòng)區(qū)略大(2 992 kN·m和1 520 kN·m)，其余中間跨中拱肋彎矩均小于1 000 kN·m。可見鋼拱圈彎矩較小，受力較均勻。

(2)使用階段標(biāo)準(zhǔn)組合下，拱肋最大壓應(yīng)力為135 MPa，橫梁下緣最大應(yīng)力為148 MPa，鋼縱梁最大應(yīng)力為66.4 MPa。鋼梁各部分應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

(3)汽車活載作用下鋼縱梁最大豎向撓度為29 mm，約為L/3000

(4)使用階段吊桿應(yīng)力均滿足2.5倍安全系數(shù)，吊桿活載最大應(yīng)力幅為125 MPa<200 MPa，滿足吊桿疲勞要求。

(5)整體屈曲分析，主拱肋最小臨界荷載系數(shù)為9.52，大于彈性屈曲穩(wěn)定值4～5，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文以某跨堤網(wǎng)狀吊桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，首先介紹結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸，然后運(yùn)用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能、動(dòng)力特性及整體屈曲穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

(1)網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋矢跨比一般為1/5～1/7，總體建筑高度低，結(jié)構(gòu)輕盈，線形簡(jiǎn)潔，景觀效果較好，且已建網(wǎng)狀拱橋最大跨徑達(dá)380 m。可見，網(wǎng)狀拱橋可以在大跨度橋梁方案設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)的適用性。

(2)本文所述網(wǎng)狀拱橋，拱肋彎矩較小，受力更加均勻，有利于發(fā)揮材料的性能，增加結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性；通過與直吊桿比較，網(wǎng)狀吊桿布置較好地提高結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度，大幅度減小活載下的結(jié)構(gòu)變形。筆者認(rèn)為，公路橋梁發(fā)展網(wǎng)狀拱橋?qū)烦Ｒ姵d問題也是有利的。

(3)計(jì)算表明，網(wǎng)狀吊桿對(duì)面外剛度影響可以忽略，隨著橋梁跨徑和橋梁寬度增加，結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性將引起重視。方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理選用橫向支撐形式和剛度，以提高結(jié)構(gòu)側(cè)向屈曲穩(wěn)定性能。

網(wǎng)狀吊桿拱橋作為一種新穎而又有吸引力的橋型，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在國外得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)發(fā)展相對(duì)較為緩慢。鑒于網(wǎng)狀拱橋的較強(qiáng)承載力及優(yōu)美的造型，其在公路、鐵路、市政橋梁中將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。本橋的設(shè)計(jì)為大跨度網(wǎng)狀拱橋設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)，可為同類橋梁提供參考。