通港大橋主橋結構設計及計算分析

仲健

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概要

通港大橋東西向橫跨通榆河，西接現狀華茂大街，與協鑫大道平面交叉，東接泰山路，是橫跨通榆運河的一條重要線路。橋位北側緊臨阜寧港口，北側為329 省道，項目建成后對阜寧開發區路網完善建設具有重大意義。

通港大橋主拱的景觀造型創意借鑒廟灣八景之一的東望奇云中的彩虹形態，將現代造型拱橋化作一道輕盈的彩虹跨越通榆河上。該橋設計在滿足功能要求的前提下，力求結構線形優美、造型新穎獨特，與周圍環境協調一致，融為一體，打造鹽城阜寧開發區新的地標，提升通榆河景觀功能。方案采用下承式單索面拱梁組合結構，拱肋在橋面中央分隔帶內。主橋效果如圖1 所示。

圖1 通港大橋主橋效果圖

2 結構設計

通港大橋主橋采用下承式單索面拱梁組合結構，跨徑為60 m+110 m+60 m=230 m，采用拱梁固接，墩梁分離結構，支座布置按連續梁體系設置。橋位處近期人行需求較少，近期未設置人行道，標準橋面寬度為23 m，其中包括0.5 m（防撞墻）+9.25 m（車行道）+3.5 m（吊桿區）+9.25 m（車行道）+0.5 m（防撞墻）。該橋考慮預留遠期人行道條件，在主橋兩側架設三角桁架增設2.5 m 寬人行道，主橋立面布置圖及近、遠期主橋橫斷面分別如圖2~ 圖4 所示。

圖2 主橋立面圖（單位：m）

圖3 近期主橋斷面圖（單位：m）

圖4 遠期主橋斷面圖（單位：m）

主橋箱梁構造主要考慮兩個因素：結構中線處是否設置腹板以及吊桿處是否設置橫隔板，比選四種方案，詳見表1。

表1 主梁構造方案

經比較，結構中心線處設置連續的腹板可抵抗拱底傳遞的外推力，跨中吊桿處設置橫隔板，可以提供縱橫向傳力路徑。方案四作為設計推薦方案。

主梁為直腹板箱型結構，縱向全預應力體系，混凝土采用C55。箱梁頂面設置2%雙向橫坡，底板底面水平。如圖5 和圖6 所示，箱梁頂板寬23 m，懸臂長1 m，底板寬21 m。跨中梁高2.4 m，拱腳處支點梁高5.5 m，中間段采用2.0 次拋物線過渡。箱梁頂板厚度30 cm。箱梁共設置五道腹板，結構中心線處腹板考慮布置吊桿構造，比外側腹板厚，中跨中腹板板厚由跨中至中支點變化為110~350 cm，邊跨中腹板板厚由跨中至中支點變化為90~350 cm，外側腹板板厚變化為45~70 cm。中跨吊桿處均設置一道橫隔板，橫隔板間距為5 m，隔板厚度為30 cm。中支點處橫梁寬度為3 m。

圖5 1/2 主橋立面及平面圖（單位：m）

圖6 標準橫斷面圖（單位：mm）

拱肋采用六邊形鋼箱拱，拱矢高為22 m，對應矢跨比為1/5，拱軸線、拱頂底緣線均采用二次拋物線擬合，拱頂拱高為1.8 m，拱底拱高為3.649 m，拱肋箱寬為2.1 m。考慮到拱底與主梁合并處受力復雜，且剛度較小，在該區段灌注混凝土，形成拱座構造。

吊桿為單索面體系，采用GJ15-19 鋼絞線拉索，全橋共設置17 根吊桿，吊桿間距為5 m。吊桿安全系數不小于3。吊桿在拱肋處為固定端錨具，采用叉耳式錨固構造，梁端為張拉端，張拉點位于主梁底。

配合全橋整體造型，主墩外觀為門式墩，為減輕墩身自重，將墩身中間挖空，墩身采用C40 混凝土。橋墩高度為8.0 m。橋墩順橋向寬度3 m，橫橋向墩身寬度16.01 m，單個墩柱下設置20 根Φ1.5 m 的摩擦樁。兩側引橋采用簡支變連續預應力小箱梁結構，過渡墩采用高低蓋梁雙立柱結構形式，設置8 根Φ1.2 m 的摩擦樁。

3 施工方案簡述

根據通榆河現狀保護及橋位處河道通航要求，施工方案的設置原則為：施工期不得中斷運河通航，主梁不得采用滿堂支架及少支架施工方案，推薦采用懸臂澆筑法。

具體施工步驟如下[1]：

（1）滿堂支架澆筑0 號塊，同步采取臨時固結措施；

（2）逐段澆筑（1#~11#）懸臂梁段；

（3）滿堂支架澆筑邊跨現澆梁段；后續澆筑邊跨合龍段，拆除邊跨支架并同時解除臨時固結；

（4）澆筑中跨合龍段；

（5）主梁貫通后，梁上搭設支架，吊裝主拱，安裝吊桿并張拉吊桿；

（6）施工橋面系及附屬設施，如有需要可進行二次吊桿調索。

4 結構計算

4.1 主要技術參數

4.1.1 設計標準

（1）道路等級：二級公路兼城市次干路。

（2）設計車速：50 km/h。

（3）設計荷載：汽車荷載為公路-I 級。

遠期人群荷載按規范[2]第10.0.5 條規定選用。

（4）設計基準期：100 a。

（5）結構安全等級：一級。

（6）地震基本烈度為6 度，地震動峰值加速度0.05g；橋梁抗震設防分類為丙類。

4.1.2 主要設計荷載

（1）恒載：按實際輸入的截面面積，混凝土容重26 kN/m3。主梁橫隔板、中橫梁、端橫梁等采用荷載形式計入。

（2）活載：汽車荷載按公路-I 級，四車道，人群及非機動車荷載取2.5kN/m2。

（3）溫度荷載：體系升溫25℃，體系降溫-25℃，梯度溫度按規范[3]，拱梁溫差按±15℃計。

（4）風荷載：按規范[2]取用，設計基準風速計算成橋按100 a 一遇計，參與汽車荷載組合。

（5）基礎沉降：單個基礎產生10 mm 沉降，程序按照最不利組合計算。

4.2 計算模型[1]

主橋縱向整體靜力計算采用Midas Civil（2020）有限元軟件，模型采用梁單元與桁架單元建模，將全橋離散為有限元模型：梁單元模擬主梁，桁架單元模擬吊桿。模型邊界條件處理：彈性連接模擬支座；大地節點均固結；通過設置剛性桿件模擬吊桿與主梁和主拱的連接；計算結構模型如圖7 所示。

圖7 結構計算模型（Mida s 模型）

4.3 主梁計算結果

依據規范[4]，主梁計算按全預應力混凝土構件進行，主要計算結果見表2，計算結果均滿足設計規范。

表2 主梁計算結果 單位：MP a

結構在活載作用下，主梁最大豎向位移為13.2 mm，小于規范限值：1.4125×L/600=1.4125×110/600=259 mm，主梁整體剛度滿足規范要求。

4.4 吊桿安全系數分析

順橋向沿主梁布置17 根吊桿，以主跨中心線對稱布置，吊桿編號為1~17。吊桿的抗拉強度為1 860 MPa，吊桿基本組合下的索力計安全系數，見表3。

由表3 可知：吊桿索力均滿足規范對拉索安全系數不小于2.5 的要求。

表3 吊桿索力結果

4.5 拱腳局部分析

該橋拱腳處，鋼箱拱、拱座及預應力主梁結合處受力復雜，需要利用板單元和實體單元建立精細化模型，鋼箱拱采用板單元模擬，拱座及預應力混凝土采用實體單元模擬。主梁截取B3#~Z4# 節段，邊界位置距拱腳處長度不小于1.5 倍主梁高。在拱肋形心處加載基本組合作用下的最不利內力，拱腳局部模型如圖8 所示。

圖8 拱肋局部模型

局部鋼拱肋的應力分布情況如圖9 所示。拱肋在基本組合值作用下發生的最大壓應力為88 MPa，最大壓應力，小于Q345qD 的強度設計值，鋼拱肋強度滿足規范設計要求。拱肋壓應力在2 m 范圍內由88 MPa 迅速降至8 MPa，計算表明深入拱座范圍內拱肋傳力路徑有效且傳力長度滿足設計要求。

圖9 拱肋正應力分布圖（單位：MP a）

拱座混凝土作為主梁的延伸，屬于承受彎壓荷載的梁式構件，主壓應力分布情況如圖10 所示。在基本組合值作用下發生的最大主應力為12 MPa，滿足規范設計要求。

4.6 全橋穩定性分析

該橋穩定性分析是將結構自重、二期荷載作為不變荷載，將汽車活載作為可變荷載逐級施加在主梁上，得出整體穩定系數為9.9，安全系數均大于4.0。失穩模態為拱肋面外失穩，如圖11 所示。

圖10 混凝土主應力分布圖（單位：MP a）

圖11 主橋失穩模態圖（單位：MP a）

5 結語

本文介紹了一座主跨為110 m 下承式單索面拱梁組合結構設計。得出以下結論：

（1）通過對橋梁結構的有限元計算，表明在全橋懸臂澆筑階段及運營階段，該橋主梁、拱肋及吊桿的受力均滿足規范要求；

（2）建立拱座局部分析模型，結果表明拱肋及拱座受力滿足規范要求。其中，拱座內拱肋傳力長度為2 m，為保證拱肋傳遞路徑有效，拱肋深入拱座內長度設計取4 m，不小于2 倍傳力長度。拱座內預埋拱肋長度設計取值可為同類型橋梁提供參考。