毕升路简支系杆拱桥总体设计研究

宋阳运

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市201204）

1 概 述

毕升路跨川杨河桥位于上海市浦东新区张江国家实验室单元，是张江科学城的核心科创功能片区，桥位东侧为正在建设中的硬X射线项目。

由于硬X射线为高敏感设施，为避免该项目投入使用后周边道路建设对其产生不良影响，要求新区同步配套建设一批市政项目。在此大背景下，本文项目建设被提上日程并展开相应工作。

主跨桥梁设计采用计算跨径81m、全长85m下承式简支系杆钢箱拱桥，失高为16.2m，矢跨比1/5，拱轴线采用二次抛物线，拱肋截面高从拱顶1.5m渐变到拱脚2.5m；桥面总宽为24.0m，吊杆间距6.0m，全桥共设置11对吊杆；下部结构采用双柱墩桩基础，引桥与主桥连接采用钢牛腿结构（见图1）。桥梁总体效果如图2所示。

图1 系杆拱桥立面布置图（单位：cm）

主跨桥梁为跨越川杨河而设；川杨河为Ⅴ级通航航道，道路中心线法向与河道中心线顺交14.7°。南、北引桥采用上海市通用刚接空心板梁结构，北引桥因受下穿辅道条件所限，孔跨布置采用2×18m+2×20m，南引桥孔跨布置采用2×22m，下部结构为钻孔灌注桩基础。

图2 桥梁总体效果图

2 技术标准

（1）道路等级：城市支路。

（2）设计荷载：城-B级，人群荷载3.3 kN/m2。

（3）主桥标准断面：3.0m（人行道含栏杆）+2.0m（拱肋区含栏杆）+14.0m（车行道）+2.0m（拱肋区含栏杆）+3.0m（人行道含栏杆）=24.0m（桥面总宽）。

（4）抗震设防烈度：根据上海地区地震基本烈度分布图，该工程属地震基本烈度7度地区，该工程桥梁结构按烈度7度设防；建设场地为Ⅳ类，桥梁结构地震动峰值加速度0.12g，抗震设防类别为丁类。

（5）设计基本风速：33.8m/s（1/100）。

3 结构设计

3.1 结构形式的确定

3.1.1 拱肋结构形式

对于下承式简支梁拱组合桥梁，目前在城市桥梁中较多采用的拱肋结构有钢管混凝土和钢箱结构。一般较常规使用的拱肋结构形式如图3所示。中等跨径钢管拱肋可整体吊装架设，安装就位后从拱脚向拱顶泵送混凝土完成拱肋施工。由于拱肋轻、刚度大，灌注混凝土时由钢管兼作模板，大大方便了施工。但钢管混凝土拱肋容易因施工不当造成钢管内混凝土灌注不密实，以及混凝土收缩引起钢管和混凝土之间出现裂缝，施工质量较难保障；且从历年来一些已建钢管混凝土拱肋桥梁病害调查情况来看，出现主要的病害是钢拱内混凝土脱离。

图3 拱肋截面形式

拱肋作为钢结构压弯构件设计，受力明确，设计计算思路清晰，且钢箱拱肋可工厂制作，质量有保障，因此该项目推荐采用钢箱拱肋。

3.1.2 拱肋稳定性

拱肋不同的布置形式对主桥的整体屈曲稳定有不同的影响，下面通过分析拱肋不同倾角对结构屈曲稳定的影响关系，得到相应的设计经验。拱肋倾角与结构屈曲稳定系数关系见表1，如图4所示。

表1 拱肋倾角与结构屈曲稳定系数关系

图4 拱肋倾角与结构屈曲稳定系数

通过以上分析可知，在一定范围内拱肋内倾角与屈曲稳定系数成正比关系，结合实际情况，该工程选取拱肋内倾角13°进行设计。

3.2 结构设计

3.2.1 加劲梁

加劲梁采用双边箱钢混凝土组合梁形式，钢梁采用Q345qd钢材，标准梁高1.91m（含桥面板），支座处梁高加高到2.5m（含桥面板）。混凝土桥面板厚0.22m。梁宽24m，系梁侧悬挑3.0m，横隔板间距3m，如图5所示。

图5 标准横断面图（单位：mm）

3.2.2 拱肋

拱肋矢跨比1/5，拱肋中心轴线采用二次抛物线，内倾13°，铅直投影面内矢高为16.2m；拱肋采用箱形截面，截面高度从拱顶1.5m渐变到拱脚2.5m；拱肋吊杆处设置竖直横隔板，吊杆间距6m，竖直横隔板间设置两道垂直于拱肋中心线的横隔板。

3.2.3 吊杆

吊杆采用镀锌铝高强平行钢丝索，型号为PES（C）7-1770-61-ZnAl，吊杆间距为6.0m，为单吊杆布置，全桥共22根，锚具为PESM-4150。吊杆两端锚固均采用冷铸锚接耳叉销轴锚固形式，梁端设张拉端，采用单螺杆调节，销轴设自润滑向心关节轴承，以适应顺桥向变位，拱肋端为固定端。吊杆安全系数均大于3.0。

3.2.4 主桥下部结构

主桥桥墩采用2.5m×2.5m柱式墩，横桥向为两个立柱。基础均采用钻孔灌注桩，混凝土采用C30水下混凝土，桩基采用直径1.0m钻孔桩，每个墩19根，桩长50m。桩端持力层为地质报告建议的第7-2b层粉砂层，承台厚3.0 m，为哑铃形，承台底设10 cm厚素混凝土垫层，标号C25。

3.2.5 引桥下部结构

引桥桥墩采用独柱墩盖梁，盖梁顺桥向宽度2.0m，横桥向宽度8.5m，根部梁高1.8m；桥墩盖梁顶及桥台台帽设双向2.0%横坡。桥墩、桥台基础采用直径0.8m钻孔桩，桩长45m，桥墩承台厚2.0m，桥台承台厚1.5m。

3.2.6 支座支撑体系

主桥主梁每个桥墩横桥向采用两个抗震球钢支座JQZ（Ⅱ）-9.0；引桥刚接空心板梁采用GYZ250×52mm板式橡胶支座。

4 结构计算

4.1 静力计算

静力计算采用midas Civil桥梁结构专用有限元分析软件计算，建立模型如图6所示。

图6 主桥静力计算模型

计算荷载如下：

（1）结构自重：钢材78.5 kN/m3；混凝土26 kN/m3。

（2）二期荷载：铺装，防撞护栏、扶手栏杆等其他附属结构。

（3）人群荷载：按照《城市桥梁设计规范》（CJJ11—2011）计算取值，3.3 kN/m2。

（4）汽车活载：城-B级。

（5）温度荷载：整体升、降温度，钢梁截面梯度温度按BS5400取用，拱肋截面梯度升、降温。

（6）风载：按《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01—2004）取用，分别考虑横向及纵向风荷载。

静力计算主要从以下几个方面验算各构件受力情况：运营阶段应力（基本组合），考虑局部稳定、整体稳定折减系数；吊杆力；主桥刚度；断索工况结构受力；结构疲劳计算；主桥稳定计算等。

4.2 动力计算

该工程道路等级为城市支路，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011），采用丁类桥梁进行设防，抗震设计方法选用B类。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度系数为0.1g，该场地类别为Ⅳ类。按照《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）规定，场地地震动峰值加速度调整系数为1.2，地震设计加速度反应谱特征周期为0.75 s。桥梁抗震设防类别为丁类，E1地震调整系数Ci=0.35。

计算采用midas Civil建立全桥的抗震分析计算模型。模型中建立承台单元，并在各桩基位置设置了节点，桩基采用具有6个自由度的弹簧对其进行模拟，刚度系数由“m”法确定。按实际结构设计模拟，计算模型如图7所示，E1反应谱如图8所示。

动力计算主要从以下几个方面验算各构件受力情况：结构动力特性分析；地震作用下结构响应；结构抗震性能验算；地震支座验算；抗震体系验算结论及设计建议等。

图7 动力计算模型

图8 E1 地震水平加速度反应谱

桥梁动力特性分析是研究桥梁振动问题的基础，为了计算在不同设防水准地震作用下的结构动力响应，必须首先进行桥梁结构的动力特性分析。

桥梁二期恒载、自重均转换为节点质量施加于上部结构主梁相应的节点上。特征值分析采用RITZ方法，取计算前200阶振型（见表2）。

表2 主跨桥梁成桥状态结构动力特性

4.3 结果分析

（1）静力计算结果。构件应力最大处为拱顶压应力，考虑折减系数后，最大压应力为190 MPa，满足极限承载力强度设计要求。

（2）该结构加劲梁受力体系为横梁受力体系，结构高度由横梁受力计算确定。

（3）桥址处为抗震不利地段，结构设计考虑采用质量较小结构，以减小下部结构地震作用响应。经动力计算分析并对比静力计算结果，结构采用由自身抵抗E1地震作用下受力响应即可。

（4）在桥墩处设计纵横向抗震挡块，从桥梁抗震构造措施上满足基本烈度的要求。

5 结 语

（1）该工程上部结构采用钢结构材质，质量较小，减小了下部结构地震受力响应。

（2）拱肋采用钢箱结构，受力明确，结构轻盈；且拱肋选择合适的内倾角，增加了结构的整体稳定性。

（3）因系梁结构高度较小，吊杆锚固采用冷铸锚接耳叉销轴锚固形式，采用单螺杆调节，销轴设自润滑向心关节轴承，以适应顺桥向变位，该部分结构设计也是该桥设计特点之一。

（4）该工程建设场地较为复杂，涉及高压线保护区、硬X射线保护区、跨越重要航道、桥梁结构离道路平交口很近及建设场地为抗震不利地段等，推荐设计桥型方案是通过多方案设计比选后确定，可为有类似建设条件项目提供设计方案思路。