南屏大桥双层钢桁拱桥设计探讨

郭继业，杜建成，高康平

（珠海市规划设计研究院，广东 珠 海 5 19000）

南屏大桥双层钢桁拱桥设计探讨

郭继业，杜建成，高康平

（珠海市规划设计研究院，广东 珠 海 5 19000）

结合南屏大桥设计，对双层钢桁拱桥桁架型式选择、边中榀尺寸拟定与内力调整、吊杆抗风进行了探讨。

双层桥面；钢桁拱桥；桁架型式；内力调整；吊杆抗风

0 引 言

金琴高速公路南屏大桥位于珠海市主城区西部，连接前山和南屏，跨越前山河，上层桥面为高速公路，下层桥面为市政道路，主桥为48 m+120 m+ 48 m双层钢桁拱桥（见图1和图2），设计要点如下：

图1 南屏大桥主桥立面图（单位：cm）

图2 南屏大桥主桥横断面图（单位：cm）

（1）设计荷载。上层桥面为公路-Ⅰ级，下层桥面为城-A级，人群3.5 kN/m2。

（2）上部结构。钢箱拱跨度120 m，矢高34 m，矢跨比1/3.529，拱轴线采用二次抛物线；拱肋和弦杆为箱形截面；腹杆大部分采用H形截面，少部分受拉较大的腹杆采用王字形截面，个别受压较大的腹杆采用箱形截面；吊杆采用H形截面；桥面系由箱形钢横梁、工字形钢纵梁和钢-混凝土组合PBL板组成；平联采用V形布置；在过渡墩顶、主墩顶的横梁与竖杆间设置简易桥门架；全桥共设置5道一字形风撑将边、中榀连为整体；所有杆件内表面对齐；除部分拱肋杆件采用熔透焊接外，其余杆件均采用高强螺栓连接。

（3）下部结构。主墩为三柱实心墩，过渡墩为三柱双层框架结构，基础采用承台配钻孔灌注桩。

（4）施工流程。前山河目前暂不通航，本桥采用先梁后拱的施工方案，即在满堂支架上安装边跨主梁，搭设临时墩悬臂拼装中跨主梁，然后在主梁上搭设支架施工拱肋和吊杆。

1 桁架型式选择

桥梁上常用的桁架型式有Warren桁架（三角形桁架）（见图3和图4）和Pratt桁架（斜杆形桁架）（见图5和图6），设计时对这两种桁架型式进行了对比分析，从图3～图6可以看出：

图3 Warren桁架恒载+活载作用下1/2中榀最大轴力图（单位：kN）

图4 Warren桁架恒载+活载作用下1/2中榀最小轴力图（单位：kN）

图5 Pratt桁架恒载+活载作用下1/2中榀最大轴力图（单位：kN）

图6 Pratt桁架恒载+活载作用下1/2中榀最小轴力图（单位：kN）

（1）两者拱肋、弦杆和吊杆轴力（负值为压力，正值为拉力，其他各图均如此表示）差别不大。

（2）Warren桁架竖杆轴力普遍小于Pratt桁架。

（3）两者斜杆轴力大小基本接近，Warren桁架斜杆部分为拉杆，部分为压杆，Pratt桁架斜杆压杆居多，且部分压杆（如E3A2、E5A6）轴力较大，压杆稳定控制设计，需采用箱形截面，增加了拼接难度。

大多数现代桥梁都采用某种型式的Warren桁架[1]，通过以上对比，本桥亦采用Warren桁架。

2 边、中榀尺寸拟定与内力调整

本桥横桥向设三榀桁架，中榀受力比边榀大，设计时考虑了两种方案。方案一：边、中榀杆件采用相同的内轮廓尺寸，加大中榀杆件板厚。方案二：边、中榀杆件采用相同的内轮廓尺寸和板厚，拼装杆件前将中榀垫高3 cm，全桥合拢后施工二期恒载之前抽掉垫块，调整边、中榀内力。

从图7～图14可以看出：方案一边、中榀拱肋和弦杆应力比较接近（负值为压应力，正值为拉应力，其他各图均如此表示。受横向弯矩的影响，边、中榀斜杆、竖杆和吊杆应力相差较大），杆件应力均小于钢材强度设计值；方案二抽掉垫块后，部分荷载由中榀转移到边榀，中榀绝大部分杆件轴力明显减小，边榀绝大部分杆件轴力明显增大。考虑到方案二需采用大吨位千斤顶顶升主梁，下弦杆顶点处受力较大，构造复杂，顶升施工难度较大，且横梁次内力较大，最终采用了方案一。

图7 方案一恒载+活载作用下1/2边榀最大应力图（单位：MPa）

图8 方案一恒载+活载作用下1/2边榀最小应力图（单位：MPa）

图9 方案一恒载+活载作用下1/2中榀最大应力图（单位：MPa）

图10 方案一恒载+活载作用下1/2中榀最小应力图（单位：MPa）

图11 方案二抽掉垫块前恒载作用下1/2边榀轴力图（单位：kN）

图12 方案二抽掉垫块后恒载作用下1/2边榀轴力图（单位：kN）

图14 方案二抽掉垫块后恒载作用下1/2中榀轴力图（单位：kN）

3 吊杆抗风设计

钢桁拱桥吊杆的涡激振动，是吊杆的常见病害，必须根治，过去主要是在事后进行控制或加固，随着对其振动机理的深入研究，现在可以从技术层面解决吊杆的涡激振动问题，即在施工图设计阶段进行吊杆的截面和开孔率设计。

本桥采用H形钢吊杆，最初截面尺寸为同一种规格，即翼缘板为800 mm×24 mm，腹板为1 300 mm× 18 mm，吊杆G7A7（如图3所示，另一根吊杆与G7A7关于跨中对称线对称）沿顺桥向有发生涡激共振的可能[2]。根据涡激振动的机理，抑制吊杆涡激振动有两种途径，即腹板开孔和改变断面形状。风洞试验研究表明，H形吊杆的腹板开孔能在一定程度上改善其涡激振动特性[3]，但鉴于已建成的类似桥梁虽已在吊杆腹板开孔，但仍然发生了严重的风致振动[4]，本桥采用“吊杆腹板不开孔，对其截面尺寸进行适当优化”的设计方案。

当H形钢桁拱桥吊杆满足λl=（6 091～10 151）且桥址处的风环境满足3×102≤Re≤3.5× 106时，吊杆有发生涡激共振的可能[5]。经过多工况比选，将这两根吊杆翼缘板宽度从800 mm改为700 mm，厚度24 mm保持不变，腹板高度1 300 mm保持不变，厚度从18 mm改为20 mm，调整后其雷诺数Re和特征振动因子λl见表1。从表1可以看出，调整吊杆截面尺寸后，可以避免其发生涡激共振。

表1 吊杆的雷诺数Re和特征振动因子λl

4 结语

（1）Warren桁架和Pratt桁架两者拱肋、弦杆和吊杆轴力差别不大；Warren桁架竖杆轴力普遍小于Pratt桁架；两者斜杆轴力大小基本接近，Warren桁架斜杆部分为拉杆部分为压杆，Pratt桁架斜杆压杆居多，且部分压杆轴力较大，压杆稳定控制设计，需采用箱形截面，拼接难度较大。大多数现代桥梁都采用某种型式的Warren桁架，本桥亦采用Warren桁架。

（2）本桥横桥向设三榀桁架，中榀受力比边榀大，预先垫高中榀，合拢后抽掉垫块，内力重新分配，中榀杆件内力明显减小，但横梁次内力和施工难度较大。设计最终采用边、中榀杆件内轮廓尺寸相同、加大中榀杆件板厚的方案，施工难度较小，边、中榀拱肋和弦杆应力基本接近。

（3）通过调整吊杆截面尺寸，改变其雷诺数Re和特征振动因子λl，可以避免发生涡激共振。

[1]同济大学钢与轻型结构研究室，钢桥与组合结构桥梁研究室，译.美国钢结构设计手册（下册）：钢桥部分[M].上海：同济大学出版社，2007．

[2]李龙安，苗润池.珠海南屏大桥主桥吊杆风致振动分析报告[R].武汉：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2014．

[3]马存明，廖海黎，郑史雄，李佳圣.H型截面吊杆气动性能的风洞试验[J].中国铁道科学，2005，26(4)：42-46．

[4]李龙安.钢桁拱桥吊杆风致振动影响因素分析 [J].桥梁建设，2008，38（3）：19-22．

[5]高宗余，李龙安，方秦汉，卫军.钢桁拱桥吊杆风致振动研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007，31(2)：281-284.

U448.22

B

1009-7716（2017）01-0065-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.018

2016-10-17

郭继业（1979-），男，湖北天门人，高级工程师，从事桥梁工程设计工作。