连续梁拱组合景观桥结构设计与分析

周建

(南宁市城乡规划设计研究院，广西 南宁 530000)

连续梁拱组合景观桥结构设计与分析

周建

(南宁市城乡规划设计研究院，广西 南宁 530000)

掘苴河桥主桥上部结构采用连续梁拱组合体系，刚梁刚拱，主桥采用（35+70+35）m预应力混凝土连续梁与钢箱拱肋组合结构。介绍掘苴河桥主桥的结构形式、结构设计情况，并通过结构静力、动力以及拱脚局部验算，对连续梁拱组合结构体系进行具体分析。

连续梁拱组合结构；设计；景观桥；静力、动力分析

1 工程概况

项目位于如东县城新城区道路规划路网七横七纵主干道路系统中，东西向贯通的一条主干路，桥梁跨越掘苴河，主桥采用（35＋70＋35）m跨径布置的连续梁拱组合结构体系桥，两侧引桥均采用4×30 m跨径布置的等截面预应力混凝土连续梁桥。桥型布置如图1所示。

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路。

（2）荷载标准：桥梁荷载等级：公路-Ⅰ级，人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)取用。

（3）桥梁结构设计基准期：100 a。

（4）桥梁设计安全等级：一级。

（5）抗震标准：抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度0.10 g。本桥桥梁抗震设防类别为B类。

3 结构构造

3.1 主梁结构

主梁采用三跨变截面预应力混凝土连续梁，整体式箱型断面，总宽度为36 m。主梁主墩墩顶梁高为3.3 m，跨中及边墩墩顶梁高为2.0 m。主梁纵桥向设置25道横隔梁及4道横梁，箱梁顶面横坡设置为双向2%，梁底水平。横断面构造如图2所示。

主梁横断面采用整幅单箱五室箱型断面，外侧大挑臂部分利用横隔梁进行支撑。考虑到景观效果，箱梁大挑臂部分采用局部镂空的斜腹板布置形式。箱梁总宽36 m，底板总宽25 m，外侧挑臂长5.5 m。最外侧边腹板和内侧边腹板厚度纵向等厚，为40 cm。两道主腹板厚度：主跨跨中处腹板厚度为90 cm，边跨跨中处腹板厚度为100 cm，主墩墩顶处腹板厚度为250 cm，边墩墩顶处腹板厚度为130 cm。顶板厚度为25 cm；跨中及墩顶底板厚度分别为25 cm及65 cm。

主墩处拱脚横向宽度为1.8 m，外包钢板。

主梁纵桥向设置25道横隔梁及4道横梁。横隔梁标准宽度除近主墩处2道横梁为60 cm(全桥共计4道)外，其他均为40 cm。主墩横梁标准段宽度为2 m，边墩墩顶横梁标准段宽度为196 cm。外侧大挑臂横梁厚度均为40 cm。

箱梁预应力分为纵向、横梁(横隔梁)横向预应力及拱脚竖向预应力，均采用预应力钢绞线。

3.2 主拱拱肋和吊杆

主桥拱肋为全钢结构，采用中间矩形钢箱截面受力为主、两侧圆形钢管为辅的截面形式，如图3所示。

中间钢箱结构高1.6 m、宽1.4 m，为拱肋主要受力构件。钢箱顶、底板及腹板均采用2 cm厚钢板。纵向加劲采用I形加劲肋，为20 mm厚钢板。横向加劲板为径向布置的16 mm厚钢板，间距根据拱肋受力情况进行调整。

主拱通过PBL剪力键传力于主墩拱脚混凝土，剪力键由t=20 mm、b=200 mm的钢板组成，剪力键挖空直径为6 cm，间距为20 cm，孔内贯通钢筋为HRB335 D22 mm钢筋。

每根吊杆对应主拱钢箱位置均设置一处双层横隔板。横隔板与铸钢材料的耳板采用高强螺栓进行连接，横隔板与铸钢材料接触面摩擦系数应通过试验确定大于0.4。吊杆力通过耳板与吊杆叉耳相连传递于主拱肋，主拱均采用二次抛物线线形。

图1 掘苴河桥桥型布置图（单位：cm）

图2 主梁1/2横断面图（单位：cm）

图3 主拱断面构造图（单位：cm）

外侧为直径60 cm的圆形钢管，钢管通过竖向缀板与中间钢箱相连，对拱肋稳定起到加强作用。

吊杆采用GJ整束挤压拉索体系成品吊杆索。全桥共设置2×11根吊杆，纵向间距为5 m。吊杆上端构件(固定端)采用叉耳构件与拱肋耳板连接。每根吊杆下对应一根横隔梁，吊杆下端构件(张拉端)内置于主梁横隔梁内。

4 施工方法

掘苴河为通航河道，通航要求净高为3.5 m，净宽要求18 m，故本次主桥采用少支架现浇施工，“先梁后拱”的施工工艺，施工期间搭设预留18× 3.5 m通航孔。全桥主要施工过程如下：

（1）桩基施工。

（2）桥墩承台、桥台承台施工。同时进行主桥及引桥支架的地基处理，以保证地基承载力及沉降满足施工期间支架预压及现浇的要求。

（3）搭设支架，其中主桥主跨支架预留通航孔。

（4）浇筑主桥0＃节段并张拉纵、横向预应力钢束。

（5）浇筑1＃节段并张拉纵、横向预应力钢束。

（6）浇筑2＃节段进行边跨合龙，同时浇筑主跨跨中3＃节段。

（7）浇筑4＃节段进行中跨合龙。

（8）主桥主梁施工完毕后，浇筑引桥主梁并张拉相应纵、横向预应力钢束。

（9）拱肋在工厂进行预制后运输至现场。在主桥主梁上搭设少支架进行现场拼装。

（10）安装吊杆，并初始张拉吊杆。

（11）主桥落架后测量吊杆力，并根据设计文件调整吊杆力。

（12）桥面系等附属设施施工，全桥竣工。

5 结构静力计算

5.1 主梁纵向计算

主梁纵向计算采用MIDAS有限元程序，主梁采用单梁的模拟方法，计算截面采用横向等高度横截面，采用截面特性调整系数考虑横坡对截面特性的影响，预应力钢束按照设计线形输入。

主梁按部分预应力混凝土A类构件设计，在最不利荷载组合下主梁应力验算结果如图4所示。

图4 主梁验算结果图(单位：MPa)

主梁在短期效应组合下除了边支点附近截面上缘出现法向拉应力1.08 MPa外，其他断面在短期效应组合下全截面受压；在短期效应组合下主梁主拉应力图中，最大主拉应力为1.0 MPa，小于规范限值1.325 MPa，均满足规范要求。

5.2 主梁横向计算

主梁横向计算采用MIDAS有限元程序，主梁横向计算按部分预应力混凝土A类构件设计。

主桥端横梁在短期组合下，上缘应力为0.77～－7.45 MPa，下缘应力为0.35～－7.86 MPa，最大主拉应力为1.02 MPa，位于支座位置。

主桥中横梁在短期组合下，上缘应力为0.3～－7.10 MPa，下缘应力为0.1～－4.19 MPa，最大主拉应力为1.25 MPa，均满足规范要求。

5.3 拱拱肋验算

5.3.1 主拱拱肋验算

拱肋钢结构的强度验算，荷载按《公路桥涵设计通用规范》定义和组合，材料的强度设计值按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)的材料强度设计值，本桥拱肋钢结构采用材料为Q345qD钢材。主拱拱肋计算结果如图5所示。

图5 主拱拱肋验算结果图(单位：MPa)

按照《钢结构设计规范》的相关规定，拱肋钢材的强度设计值为295 MPa，均大于拱肋上下缘最大法向应力，因此拱肋强度满足规范要求。

5.3.2 拱脚验算

拱梁连接局部处受力较为复杂，利用ANSYS通用有限元分析软件对拱脚局部区域进行了局部应力分析，如图6和图7所示。

图7表明，拱脚区域A处在施工阶段和使用阶段(持久状况)下一直处于受压状态，可以不设置该方向上的预应力束；拱脚区域B若不设置竖向预应力钢束时，在施工阶段和使用阶段将会出现竖向的拉应力(约4 MPa)，在拱脚段设置竖向钢束后，区域B的竖向和纵桥向拉应力都能满足要求。

图6 拱脚局部计算模型示意图

图7 拱脚验算结果 (单位：Pa)

5.4 吊杆验算

在承载能力组合下拱肋吊杆的最大轴拉力：短吊杆最大轴力为792 kN，长吊杆最大轴力为1 503 kN。吊杆采用PESFD5-127，其拉索破断力为4 164 kN，考虑2.5的安全系数后，吊杆拉力允许值为1 665 kN＞1 503 kN，因此吊杆的强度满足规范要求。

6 动力计算

采用MIDAS软件建立空间计算模型，主梁、主拱及吊杆采用空间梁单元，吊杆采用仅受拉桁架单元。不考虑桥梁下部结构时，结构的自振频率特性如图8所示。

成桥后，以结构自重（包括二期荷载）为可变荷载，拱肋的前四阶失稳模态如图8所示。从图中可以看出，拱肋前四阶失稳模态均为面外失稳，相应的稳定系数为10.31、10.32、14.2和14.2。

图8 成桥阶段拱肋整体稳定模态图

7 结论

（1）刚梁刚拱的连续梁拱组合桥，拱肋能显著提高主梁的竖向刚度，具有较大的竖向刚度和较好的动力性能，与同跨度连续梁桥相比，可采用更小的建筑高度。

（2）连续梁拱组合结构，通过拱肋的造型设计和主梁外观的改观，具有较好的景观效果，在景观要求较高的城市桥梁中，不失为一种较为合适的桥跨结构。

[1]金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2001﹒

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[3]小西一郎.钢桥[M].日本丸善株式会社，1976.

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[5]贾超锋.新华庄特大桥主桥连续梁拱组合结构设计与分析[J].中国铁路，2009（7）：33-36﹒

U448.21+6

B

1009-7716（2016）05-0106-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.029

2016-02-18

周建（1982-）,男，江西上饶人，本科，路桥工程师，从事桥梁设计工作。