淄博孝婦河鋼箱系桿拱橋總體設(shè)計(jì)

陳 新，彭虹霖

（中鐵長江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401120）

擬建橋梁昆侖橋位于S510 泉王線，路面寬15～17 m。現(xiàn)有橋梁為漫水橋，修建于2008 年，目前橋梁上游河道已按照1/20 洪水標(biāo)準(zhǔn)治理完成，河道斷面底寬44 m，20 年一遇設(shè)計(jì)水位117.11 m。現(xiàn)狀橋梁泄洪能力不滿足河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)存在外露，缺乏安全防護(hù)措施，現(xiàn)狀橋梁荷載等級(jí)不滿足現(xiàn)行橋梁標(biāo)準(zhǔn)，本次擬將老橋拆除原址新建橋梁。

1 概述

為融入當(dāng)?shù)匚幕聵蛞胱筒┐呵锪饧y織物為設(shè)計(jì)元素，決定采用鋼箱系桿拱。橫斷面在兩側(cè)布置2～3 m變寬人行專用道，保障了行人通行安全，提高了行車通暢性。根據(jù)橋梁所處地形及現(xiàn)場環(huán)境，橋位的東北和西南方向各有一座人行步道橋，周圍空間通透，為保證觀景視線最佳，選用散索網(wǎng)狀吊桿體系。橋梁跨徑布置為（7.125+33.75+7.125）m，總長56 m，如圖1 所示。橋墩采用樁柱式橋墩，橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)樁基礎(chǔ)。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

設(shè)計(jì)車道數(shù)：雙向六車道。

橋面寬度：2～3 m（人行道）+1.5 m（吊桿區(qū)）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+20.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+1.5 m（吊桿區(qū)）+2～3 m（人行道）=28.5～30.5 m。

汽車荷載等級(jí)：公路—Ⅰ級(jí)。

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/20。

地震基本烈度：7 度；地震動(dòng)峰值加速度動(dòng)峰值加速度為0.1 g。

安全等級(jí)：一級(jí)。

3 主要材料參數(shù)

3.1 Q345qD

鋼主拱、鋼箱系桿、鋼橋面板和橫梁等主要受力構(gòu)件均采用Q345qD 鋼材，其主要性能參數(shù)見表1、表2。

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

表2 鋼材物理性能指標(biāo)

3.2 Φ15.2 mm 環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線

主拱吊桿采用15 根Φ15.2 mm 環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線（fpk=1860MPa）纏包后外擠PE；索體外徑Φ105mm。

3.3 混凝土

下部結(jié)構(gòu)柱式墩墩身、橋臺(tái)采用C35 混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30 水下混凝土。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 拱肋設(shè)計(jì)

拱軸理論跨徑為33.75 m，計(jì)算矢高為6.75 m，矢跨比為1/5，理論拱軸線為二次拋物線。全橋共設(shè)兩榀鋼箱拱肋，拱肋截面為倒梯形，鋼箱內(nèi)高1 200 mm，內(nèi)頂寬1 500 mm，內(nèi)底寬800 mm，拱肋頂、底及腹板壁厚為24 mm，壁板縱向加勁肋為200 mm×20 mm，隔板間距1 000～1 800 mm。主拱拱腳處設(shè)置H 型副拱，高400 mm，寬1 500 mm，豎板板厚為24 mm，水平板板厚為20 mm（圖2）。

為方便運(yùn)輸及吊裝，每榀拱肋縱向劃分為3 個(gè)節(jié)段，拱肋節(jié)段間連接采用全焊接。

4.2 主梁及橋面板設(shè)計(jì)

系梁斷面采用帶雙邊箱的正交異性板結(jié)構(gòu)，邊箱頂、底板水平設(shè)置，采用直腹板，邊箱內(nèi)高1 200 mm，內(nèi)寬1 500 mm。全橋邊箱內(nèi)輪廓一致，底板、腹板加厚均向箱梁外側(cè)增加。

箱梁頂板采用正交異性板，板寬2 600 mm，板厚20 mm，翼緣及邊跨箱內(nèi)均采用板式加勁肋。底板板厚為26 mm，腹板板厚為20 mm。系梁隔板間距分布為2.125 m 和2.25 m，垂直設(shè)置。

行車道板頂板為正交異性板，采用U 形加勁肋加勁，中心點(diǎn)及梁端拼縫處設(shè)置I 肋。頂板厚16 mm，寬20.4 m；端支點(diǎn)橫梁腹板厚度為24 mm，底板厚度為40 mm，底板寬度為800 mm；其余橫梁腹板厚度為14 mm，底板厚度為26 mm，底板寬度為600 mm。橫梁與邊箱外伸銜接段腹板等高，橋面橫坡通過腹板變高調(diào)節(jié)，腹板間隔1 200～1 800 mm 設(shè)置一道豎向加勁，橫梁間距同系梁隔板間距。

人行道板頂板位于邊箱外側(cè)，為板式加勁肋加勁正交異性板，頂板厚14 mm，板寬1 450～2 450 mm，人行道挑臂腹板厚12 mm，根部高度為600 mm，漸變至挑臂端部240 mm 高，挑臂底板厚16 mm，端300 mm。

為方便運(yùn)輸及吊裝，每根系梁縱向劃分為3 個(gè)節(jié)段，車行橋面板縱向劃分為11 個(gè)節(jié)點(diǎn)，人行橋面板縱向劃分為3 個(gè)節(jié)段，除橫梁、頂板縱肋、挑梁腹板和底板采用栓接外，其余節(jié)段間連接采用全焊接（圖3）。

圖3 系桿構(gòu)造圖

4.3 吊索設(shè)計(jì)

每榀拱肋設(shè)置8 根廠制吊索，為不影響橋型空間視野，吊索采用傾斜布置，間距6.75 m，如圖4 所示。經(jīng)過多次試算，確定吊桿采用15 根Φ15.2 mm 環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線（fpk=1860MPa），公稱破斷索力為3906kN，具體結(jié)果驗(yàn)算見表3。由于1#端吊桿長度較短（無應(yīng)力長度為1.99 m），為不影響結(jié)構(gòu)受力，1#吊桿改用Φ80 mm的鋼拉桿代替無黏結(jié)鋼絞線吊桿，破斷力3 946 kN，其余2#—4#吊桿繼續(xù)沿用鋼絞線。鋼拉桿相較于鋼絞線吊桿不再含有上錨頭、下錨頭、連接頭和調(diào)節(jié)桿等連接構(gòu)件，在空間上適用于1#短吊桿。

表3 吊桿設(shè)計(jì)

圖4 吊桿構(gòu)造圖

4.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0#、3#臺(tái)身高7.849 m（橋梁結(jié)構(gòu)中心線），1#、2#墩采用圓形花瓶墩形式，圓墩直徑由2 m 漸變段過度，墩頂直徑2.2 m，墩底直徑1.6 m。樁基按照嵌巖樁設(shè)計(jì)，持力層為中風(fēng)化泥巖，要求樁基嵌入中風(fēng)化巖層有效深度大于等于7 倍樁徑，且?guī)r石的天然單軸抗壓強(qiáng)度大于等于3.5 MPa。經(jīng)過驗(yàn)算，樁徑取1.8 m，樁長25 m，單樁設(shè)計(jì)承載力不小于11 830 kN。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 計(jì)算概述

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS Civil 2021 建立三維有限元梁-板組合模型，按橋梁的實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，對(duì)各施工及運(yùn)營階段的主拱、主梁、吊索等進(jìn)行受力分析和驗(yàn)算，全橋結(jié)構(gòu)的幾何模型如圖5 所示。斜拉索采用桁架單元，主拱采用空間梁單元。頂板加勁肋、主箱梁、橫梁、翼緣均采用梁單元模擬，頂板采用板單元模擬以便準(zhǔn)確分布其頂板縱、橫向效應(yīng)。

圖5 空間有限元模型

5.2 主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

5.2.1 拱、梁縱向應(yīng)力驗(yàn)算

靜力計(jì)算結(jié)果表明：承載能力極限狀態(tài)作用基本組合，主拱上緣最大正應(yīng)力為107 MPa，主拱下緣最大正應(yīng)力為119 MPa，主拱最大剪應(yīng)力為26 MPa；副拱上緣最大正應(yīng)力為96MPa，副拱下緣最大正應(yīng)力為149MPa，副拱最大剪應(yīng)力為14 MPa；鋼橋面板最大正應(yīng)力為104 MPa；系梁最大正應(yīng)力為153 MPa；各主要縱向受力構(gòu)件均不大于270 MPa，縱向應(yīng)力驗(yàn)算滿足要求。

5.2.2 鋼橋面板應(yīng)力計(jì)算

全橋鋼橋面板最大長度為47.9 m，最大寬度為30.5 m，長寬比為1.57，總體為雙向板受力。橋面板采用密橫梁體系，橫梁間距為2.25 m，根據(jù)計(jì)算：承載能力極限狀態(tài)作用基本組合，鋼橋面板最大縱向應(yīng)力為105 MPa，最大橫向應(yīng)力為183 MPa，如圖6—圖7 所示。鋼橋面板以橫向受力為主，橫梁最大應(yīng)力為260MPa，橫向應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖6 橋面板縱向應(yīng)力

圖7 橋面板橫向應(yīng)力

5.2.3 剛度計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：結(jié)構(gòu)在靜活載作用下橫橋向最大豎向變形為38 mm，小于L/500=23 000/500=46 mm，跨中最大豎向變形為28 mm，小于L/500=33 750=67.5 mm。結(jié)構(gòu)整體剛度滿足JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.3 條的要求。

5.2.4 疲勞計(jì)算

上部結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件均為鋼結(jié)構(gòu)，且其對(duì)應(yīng)的連接形式主要以焊接為主，因此由JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.4 條規(guī)定對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞驗(yàn)算，在疲勞荷載Ⅰ的作用下，結(jié)構(gòu)正應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅見表4。由計(jì)算可知：本橋各構(gòu)件之間焊接設(shè)計(jì)可靠。

表4 疲勞驗(yàn)算 MPa

5.2.5 抗震計(jì)算

根據(jù)橋位所在道路等級(jí)、交通量及重要性，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行抗震驗(yàn)算。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按公路橋梁抗震設(shè)防類別中的C 類考慮，采用反應(yīng)譜法對(duì)橋梁進(jìn)行E1 和E2 地震作用分析。采用多重Ritz 向量法快速高效求解特征值。主橋的前5 階周期、頻率及振型描述見表5。

表5 結(jié)構(gòu)固有特性

根據(jù)JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)主橋采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震分析計(jì)算，驗(yàn)算了主墩及樁基在恒+E2 地震作用下，主墩不屈服，主墩、樁基均能保持彈性狀態(tài)。地震力工況橋墩及樁基承載力驗(yàn)算見表6。

6 施工要點(diǎn)

橋梁施工主要步驟：施工水中鋼棧橋，搭設(shè)施工鋼平臺(tái)；施工橋墩樁基礎(chǔ)和橋臺(tái)；施工墩柱，完成主梁支架搭設(shè)及預(yù)壓；安裝鋼主梁；搭設(shè)拱肋支架，拼裝主拱、副拱；主拱合龍后，拆除拱肋支撐支架；從中間往兩邊同時(shí)對(duì)稱張拉吊索；拆除主梁支架，施工二期及橋面附屬設(shè)施；調(diào)整吊桿力至設(shè)計(jì)成橋吊桿力。

7 結(jié)束語

本文對(duì)淄博昆侖橋的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及關(guān)鍵施工做了簡要介紹。針對(duì)本項(xiàng)目橫橋向跨度較大的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用了密橫梁正交異性鋼橋面板鋼箱系桿拱橋。鋼箱系桿拱橋外形美觀、視野通透、受力明確，結(jié)構(gòu)剛度大，能較好地適應(yīng)與周邊環(huán)境的融合。此外，采用鋼橋結(jié)構(gòu)能大大減輕上部結(jié)構(gòu)的重量，對(duì)抗震有利。但由于受力桿件均為鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)造設(shè)計(jì)、拼裝精度、受力特點(diǎn)相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)都要復(fù)雜，重點(diǎn)體現(xiàn)在以受壓為主的拱肋的穩(wěn)定問題、鋼構(gòu)件之間焊接疲勞問題、吊索布置問題等。針對(duì)一系列鋼結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)通過強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算和疲勞計(jì)算確保了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性、耐久性。總體而言，橋型布置、結(jié)構(gòu)尺寸擬定基本合理、結(jié)構(gòu)輕盈，為今后同類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考意義。