康凯乐
(上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司,广东佛山 528200)
提篮拱桥是拱桥的重要形式之一,由于拱肋内倾,相同条件下其静力稳定性能比平行肋要好,而且它造型美观,常被用来作为城市的标志性建筑[1]。原哈尔滨建筑工程大学钟善桐教授曾撰文指出提篮拱桥跨度可达600 m左右,随着城市的发展,对桥梁景观要求日益提高,提篮拱极具景观效果的立面造型也用在了主跨70 m左右的中等跨径桥梁上。
本文以广东肇庆砚阳桥为工程实例,结合提篮拱的受力特点,介绍中等跨径提篮拱桥的设计过程,通过数值分析对结构受力及稳定性进行全面分析。
砚阳桥位于广东肇庆政文组团砚阳路,南临砚阳湖,是组团的核心景观区域,需要满足桥梁景观和南侧行人对观景的需求,桥梁风格定位强现代感,主桥采用提篮式飞燕拱桥桥形。
桥梁全长343 m,主桥采用16.5 m+70 m+16.5 m的中承式提篮拱桥方案。车行道按双向六车道布置,两侧各设非机动车道和人行道,全宽33.1 m。桥面开阔通畅,桥梁气势恢宏,桥型新颖美观。
桥梁不是单独的城市构造物,是城市建筑的一个组成部分,桥梁、河流以及其它的建筑物共同构成了一个完整的城市形象。它们之间相互协调、统一,形成一个完美的城市景观。
桥梁的结构体系、体量与形态要与环境协调统一,造型不安全、结构上没有稳定感以及违反力学原理的也不是美的桥梁。现代的桥梁设计发展趋势是不再为了景观而做景观,避免多余的且结构不需要的繁复变化。针对桥梁的规模及形象,选择与之相适应的色彩,可以更好的展示其功能美和形态美。
本方案主题为“砚阳新绿”,“绿”不但代表了以砚阳湖为核心的自然绿色景观,也代表了肇庆新区的绿色交通理念。桥梁整体造型采用了叶片的形态进行仿生设计,极具现代感。功能上,车行桥和人行桥分建倡导了绿色交通的概念,使行人步行充满趣味性。景观上,桥梁的空间变化独特,提供了丰富的观景视角。桥梁整体涂装色彩为白色系与灰色系组合,白色与灰色经久耐看,既能与城市建筑色彩相融合,又能在桥梁周边的自然景观中凸显出来,景观效果相得益彰。
图1 砚阳桥效果图
该桥两片主拱采用提篮式矩形钢箱结构,拱肋横向倾角25°,主拱竖向高度21.875 m,矢跨比为1/3.2。副拱由拱脚向两侧上挑,与主梁固结。梁端张拉水平系杆以平衡拱脚推力。系梁为钢箱梁,横梁为工字钢梁,系梁与横梁之间采用高强螺栓连接。车行道采用混凝土桥面板,混凝土桥面板和钢梁之间通过焊钉连接形成叠合梁结构。无障碍人行天桥采用钢挑臂悬挂于系梁外侧,具有极佳的景观和亲水效果。吊杆采用平行钢丝吊索,呈扇形状布置,使桥梁富有张力和美感。
该桥主拱圈拱轴线为异形抛物线,主跨为70 m,拱高21.875 m,矢跨比为1/3.2。两侧副拱采用1.8次抛物线。拱肋采用2片提篮式箱形断面拱肋,拱肋横向倾角25°,腹板斜率不变,拱顶横撑采用箱型结构。拱肋采用变高度矩形截面钢箱拱,高1.6~3.0 m,宽1.6 m。桥面以上拱腹板厚20 mm,顶、底板厚25 mm;桥面以下拱腹板厚40 mm,顶、底板厚40 mm。为了保证腹板、顶底板的局部稳定,主拱肋设纵向加劲肋。纵向加劲肋采用钢板加劲,间距500 mm左右,高度200 mm,被加劲板板厚为25 mm以下时,加劲肋板厚16 mm,被加劲板板厚大于25 m时,加劲肋板厚20 mm。采用钢材的型号为Q345q-D。
考虑受力和景观要求,主拱肋向内倾斜,形成提篮式拱。此桥桥面较宽且主跨不大,若拱高过大会形成陡拱,景观效果较差。拱肋倾角大小影响体系刚度、拱肋与主梁的内力分配、拱肋变形等一系列主桥受力性能,必须对不同倾角的拱肋进行分析研究,以在安全的前提下确定一个较为经济、美观的方案。 拱肋内倾角对结构的稳定性影响较大,可以明显改变拱桥的失稳模态。随着内倾角的加大,结构的1阶稳定性增加,但拱肋和主梁应力均随倾角的增加而加大。
综合考虑结构受力、稳定、美观等因素,推荐采用拱肋倾角25°的方案。
吊杆间距对拱桥的视觉效果影响很大。影响吊杆间距的因素主要有主梁的布置、重量和施工方法等。梁上吊杆间距5 m和梁上吊杆间距6 m的立面效果见图2、图3。
图2 梁上吊杆5 m间距立面布置图
图3 梁上吊杆6 m间距立面布置图
该桥主梁推荐采用叠合梁,因桥宽较宽,自重大,所以吊杆间距不宜过大。本桥主跨较小,若采用较大索距,索数量较少,则没有拱桥应有的景观效果。经综合考虑,本桥吊杆间距推荐采用5 m,预制桥面板跨径采用2.5 m,两吊点中间设横梁,间距2.5 m。
吊杆选用平行钢丝吊杆,由若干根φ7 mm的高强度、低松弛镀锌钢丝并拢经大节距扭绞而成,抗拉强度为1 670 MPa。锚具采用冷铸墩头锚,以φ1 mm~2 mm的淬硬钢球、环氧树脂及其它辅料的混合物作为锚固材料,拉索总成全部在工厂制作完成,工厂化程度高。
拱脚是拱桥的关键受力节点,该桥拱肋为全钢结构,钢制拱脚插入混凝土拱座内,与混凝土构件共同受力(即钢混结合构件)。为使钢混结构共同受力,拱脚箱室隔板均开孔,箱室内灌注混凝土,拱脚插入拱座的腹板、隔板开孔,孔内穿钢筋,形成PBL剪力键。拱座内主钢筋均与拱脚钢板焊接,使主钢筋能够很好传力,增加整体性。最后浇筑拱座和拱脚内的混凝土,是拱脚与拱座连为一体。
主墩承台上设拱座,用于支承主拱及副拱,采用C40钢筋混凝土。拱座承压面须与拱轴线形成的面正交,两侧扩大以扩散压力。主墩承台厚3.0 m,基础采用群桩基础,承台平面尺寸为10.0 m×7.1 m,桩基采用直径为1.6 m的钻孔灌注桩。为平衡提篮拱在拱脚产生的横向水平推力,两承台间设系梁,通过张拉系梁的预应力平衡拱脚推力;为方便施工,平衡系梁自重,对系梁下面的土层采用CFG桩的地基处理。
由于提篮拱桥的空间效应明显,空间各方向超静定约束较多,结构计算不能单纯通过平面杆系程序进行简化计算,应通过空间有限元程序进行全桥的三维有限元分析。采用空间有限元软件midas建立空间模型进行结构静力计算,计算模型如图4所示:
图4 空间有限元计算模型图
边界条件设置如下,主拱与副拱固结于拱脚,副拱与边跨主梁在梁端固结支承于边墩上,边跨主梁另一侧梁端和中跨主梁梁端支承于主拱牛腿上。
计算工况参照桥梁施工顺序,选取5个施工阶段和一个运营阶段:
(1)工厂预制钢拱肋吊装;
(2)拆除支架;
(3)吊杆初张拉;
(4)施工桥面系及考虑活载;
(5)调索;
(6)运营阶段。
计算参数和组合均按规范要求取值和选用[2-3]。主要计算结果见表1。
表1 短期效应组合下单元截面应力列表(单元:MPa)
拱桥模型挠跨比为1/4 290,满足规范要求。
计算结果表明,全桥截面强度、应力验算和变形验算均满足规范要求。
该桥利用拱肋侧向倾斜形成提篮形状,空间效应明显,稳定性题是该桥型方案成功与否的关键。图5为恒载和活载作用下拱的屈曲模态。
图5 恒载+活载作用下拱的屈曲
在恒载和活载作用下,1阶屈曲模态形式为反对称扭转,临界荷载系数为44。稳定系数结果均大于4,满足规范要求。
砚阳桥设计是拱梁组合体系在提篮拱上的运用和创新。该桥结构新颖、受力复杂,在国内同类型桥梁中属于较先进的结构体系。通过结构计算与经验借鉴,并在设计中深入分析和优化,使该桥上下部结构合理,外形美观、独特,符合安全、经济和美观的原则。
[1]吴冲.现代钢桥(上册)[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2]JTJ025-86,公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].
[3]TB10002.2-2005,铁路桥梁钢结构设计规范[S].