下承式鋼箱系桿拱橋結構設計分析——以合肥市創新大道橋為例

楊洋，張浩

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

1 總體設計

主橋為單跨下承式斜靠鋼箱系桿拱橋方案，跨徑布置為140m。主橋采用雙向十車道＋人行道及非機動車道，全寬70m，橋面布置為1.0m（檢修道）＋2.5m（吊索區）＋3.5m（人行道）＋4.0m（非機動車道）＋0.5m（欄桿）＋2m（側分帶）＋0.5m（欄桿）＋19.5m（行車道）＋0.5m（欄桿）＋2m（中分帶）＋0.5m（欄桿）＋19.5m（行車道）＋0.5m（欄桿）＋2m（側分帶）＋0.5m（欄桿）＋4.0m（非機動車道）＋3.5m（人行道）＋2.5m（吊索區）＋1.0m（檢修道）。

拱圈及主縱梁均采用鋼箱結構；橋面采用正交異性鋼橋面板，瀝青混凝土橋面鋪裝；下部結構采用承臺＋群樁基礎。

2 結構設計

2.1 拱肋設計

圖1 創新大道橋主橋橋型布置圖（單位：cm）

圖2 創新大道橋效果圖

主拱為五片鋼箱拱，分別為一片中立拱、兩片邊立拱、兩片斜拱，其中斜拱向內傾角度為15°。拱肋中心跨徑為138m，立拱立面矢高為30m，斜拱斜平面矢高為31.2m。五片肋拱軸線均采用二次拋物線。

邊立拱及中立拱拱肋截面采用矩形截面。寬1.6m，高2.4m，腹板伸出頂底板各30mm，通過不同板厚來適應不同區域的受力要求，腹板及頂底板厚度為20mm～28mm，拱肋縱向加勁肋采用板式加勁，間距為400mm，厚度為20mm。橫向加勁肋與拱軸線垂直，板厚為14mm。吊桿處設橫隔板，橫隔板板厚為20mm～24mm。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節點板，板厚為32mm～36mm。

斜拱拱肋截面采用矩形截面。寬1.3m，高2.0m，腹板伸出頂底板各30mm，通過不同板厚來適應不同區域的受力要求，腹板及頂底板厚度為18mm～24mm，拱肋縱向加勁肋采用板式加勁，間距為400mm，厚度為18mm～20mm。橫向加勁肋與拱軸線垂直，板厚為12mm。吊桿處設橫隔板，橫隔板板厚為20mm。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節點板，板厚為32mm。

相鄰兩片拱肋通過5道鋼箱橫向風撐連為一體。箱型風撐的外尺寸均為1.2m×1.2m，風撐頂底板及腹板厚度均為20mm。加勁肋為板式加勁，尺寸為14mm×160mm。

2.2 橋面系設計

圖3 機動車橋面系

圖4 非機動車橋面系

本橋機動車道的橋面系采用正交異性鋼橋面板的結構形式。鋼橋面板的厚度為16mm，橫橋向與鋼縱梁的連接采用高強螺栓進行栓接。鋼橋面板橫向由3根倒T型小縱梁支撐，小縱梁的梁高為800mm，間距為5.7m，腹板厚度為14mm，底板寬度為300mm，厚度為20mm。小縱梁之間設置U型加勁肋，U肋采用8mm鋼板壓制成的U形閉口肋，U肋頂寬 300mm，高280mm，底寬170mm，U肋的間距為600mm。

橫梁為整板式的橫隔板，橫梁3.0m一道。橫梁腹板厚度為16mm，端橫梁加厚到24mm。底板厚度均為24mm，橫梁設置縱向及豎向加勁肋，其中豎向加勁肋為14mm×150mm，縱向加勁肋為12mm×120mm。橫梁與兩端主系梁通過高強螺栓連接。

本橋非機動車道的橋面系采用正交異性鋼橋面板結構形式。鋼橋面板厚度為12mm，橫橋向與鋼縱梁的連接采用高強螺栓進行栓接。橋面板設置板式加勁肋，板式加勁肋寬120mm，厚12mm，間距為300mm～360mm。

橫梁為整板式的橫隔板，橫梁3.0m一道。橫梁腹板厚度為14mm，端橫梁加厚到20mm。底板厚度均為20mm，橫梁設置縱向及豎向加勁肋，其中豎向加勁肋為12mm×140mm，縱向加勁肋為12mm×120mm。橫梁與兩端主系梁通過高強螺栓連接。

2.3 鋼縱梁

本橋鋼縱梁采用剛性與柔性組合系桿，作為主受力結構承受拱圈產生的水平推力。

中立拱的鋼系梁梁高2.89m，寬1.6m。鋼縱梁的頂底板、腹板采用20mm～28mm厚鋼板。鋼系梁頂底板均采用板式加勁肋，加勁肋高度為200mm，厚20mm鋼板焊接成。

邊立拱的鋼系梁梁高2.5m，寬1.6m。鋼縱梁的頂底板、腹板采用20mm～28mm厚鋼板。鋼系梁頂底板均采用板式加勁肋，加勁肋高度為200mm，厚20mm鋼板焊接成。

斜拱的鋼系梁梁高2.35m，寬1.6m。鋼縱梁的頂底板、腹板采用16mm～28mm厚鋼板。鋼系梁頂底板均采用板式加勁肋，加勁肋高度為200mm，厚20mm鋼板焊接成。

中立拱鋼系梁設置6根15.2－14的體外預應力鋼絞線，邊立拱鋼系梁設置4根15.2－14的體外預應力鋼絞線，斜拱鋼系梁設置4根15.2－12的體外預應力鋼絞線，組成了結構的柔性系桿體系。

3 施工方案

根據施工現場的條件以及本工程特點，本橋最終采用先梁后拱的施工方案。本橋采用的施工方案相對簡單，符合施工現場條件，在一定程度上能夠節約施工費用。

4 結構計算

4.1 主要技術參數

4.1.1 主要材料參數

橋面鋪裝采用8.0cm瀝青混凝土，容重取24kN/m。

鋼材：Es=2.1×105MPa。

預應力鋼絞線：fpk=1860MPa，Ep=1.95×10MPa。

吊桿鋼絞線：fpk=1860MPa，Ep=1.95×10MPa。

4.1.2 計算荷載

①恒載：結構一期恒載包括拱肋、鋼縱梁、橋面系的自重；二期恒載包括橋面鋪裝、防撞護欄、過橋管線等。

②活載：公路—Ⅰ級荷載，按雙向10車道計算，考慮多車道折減，按照最不利組合。

③溫度荷載：體系升溫32.0℃，體系降溫33.7℃。

4.2 靜力計算

4.2.1 計算模型

本橋采用Midas軟件建立空間桿系有限元模型進行靜力分析。

橋面系采用縱橫梁模型。吊桿、系桿采用桁架單元進行模擬，拱肋、鋼縱梁采用梁單元進行模擬，全橋共離散成2180個單元。計算模型如圖5所示。

圖5 全橋計算模型

4.2.2 計算結果

臨界荷載系數

經建模計算分析，在基本組合作用下，鋼結構應力結果如下：拱肋上緣最大壓應力為163MPa（如圖6所示），拱肋下緣最大壓應力為128MPa，縱梁上緣最大拉應力為75.3MPa，縱梁下緣最大拉應力為144.5MPa，均小于規范限值，滿足規范要求。

圖6 基本組合拱肋上緣應力

中立拱在活載作用下最大豎向下撓位移為-55.98mm；最大豎向上拱位移為41.28mm。中立拱系梁在活載作用下最大豎向下撓位移為-68.71mm；最大豎向上拱位移為36.02mm。

邊立拱在活載作用下最大豎向下撓位移為-53.68mm；最大豎向上拱位移為43.06mm。邊立拱系梁在活載作用下最大豎向下撓位移為-66.02mm；最大豎向上拱位移為38.33mm。

經驗算位移均小于L/500，滿足規范要求。

4.3 穩定分析

本橋采用Midas建立空間桿系有限元模型進行整體穩定分析。按照引起主拱肋拱頂軸向壓力最不利作用進行穩定性分析，考慮的作用包括一期恒載、二期恒載、溫度作用和吊桿力、系桿力、活載（人群+車道荷載）（按照影響現加載使拱頂產生最大軸力）。經過屈曲分析得到主拱肋前三階臨界荷載系數，如下表所示，從中可以看出，最小臨界荷載系數為10.76，大于規范要求值（圖7）。

圖7 第一階屈曲模態

5 結論

本文介紹了主跨140m的下承式鋼箱系桿拱橋——創新大道橋的結構設計。在設計過程中通過合理的結構體系、適合的橫斷面布置，使橋梁結構受力簡單明確，構造尺寸更為合理。通過對橋梁結構的靜動力分析，結果表明橋梁在施工階段和運營階段下，其應力和位移均滿足相關規范要求，可以為同類型橋梁的設計提供參考。