带钢箱副拱钢筋混凝土系杆拱桥组合体系设计

丁 毅

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250031）

1 工程背景

大沽河沿岸城市景观走廊带作为青岛市重点打造的城市景观名片，同时规划了13 座跨河桥梁构造物，建设部门更是提出了“桥梁博物馆、一桥一文化、一桥一景观”的目标要求。落药河为大沽河的支流，落药河大桥位于平度市南村镇崖头村西北约200 m处，跨越东南-西北向落药河。落药河大桥与右岸堤坝交于YK62+468 处，现状主河槽宽80 m，深6.5 m，堤坝无跨河桥梁，严重影响两岸生产生活出行需求，迫切需要新增一座桥梁沟通两岸交通。结合上下游桥型进行综合景观设计，由于系杆拱桥具有受力明确、施工便捷、造型优美等特点，同时为了顺接拱轴线形，两侧各设置一道副拱，经综合比选，最终落药河大桥采用上承式带钢箱副拱钢筋混凝土组合系杆拱桥方案。

2 设计方案

设计跨径组合为2×25 m+70 m+2×25 m，桥型布置见图1。其中主跨为钢筋混凝土系杆拱桥，矢高14 m，矢跨比1 ∶5，引桥为预应力混凝土现浇箱梁。

图1 桥型布置/cm

拱轴线采用二次抛物线，拱肋为高160 cm、宽140 cm、肋厚120 cm 的工字形断面。拱肋采用支架分段现浇，对称施工，通过湿接缝连接；副拱钢箱根据现场施工条件分段工场预制，现场拼装焊接。系梁采用高180 cm，宽150 cm 的矩形箱形断面，为抵抗拱脚的水平推力，在系梁内设置16 束9ΦS15.24钢绞线。

3 结构计算分析

拱桥作为空间受力结构，其应力、动力和稳定性分析应作为计算重点。采用桥梁博士进行纵向和横向分析，平面计算模型见图2，采用Midas 进行动力、稳定性分析和复核。总体计算根据桥梁施工流程划分结构计算阶段，计算工况见表1，根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、极限承载力计算，验算结构在施工阶段、运营阶段应力、极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

图2 平面计算模型

表1 计算工况组合

3.1 应力计算

通过平面模型计算，最不利组合主拱、副拱应力包络图见图3、图4。

图3 最不利组合主拱应力包络图/MPa

图4 最不利组合副拱应力包络图/MPa

通过结果分析，拱肋在使用阶段的最大压应力为9.82 MPa，出现在拱脚与系梁结合处上缘，最小压应力为3.29 MPa，出现在L/4 处拱肋下缘；系梁在使用阶段的最大压应力为13.08 MPa，出现在系梁与拱肋结合处下缘，最小压应力为0.51 MPa，出现在系梁空心断面过渡到实心断面处下缘。验算结果显示，系梁截面在最不利荷载组合下满足全预应力构件截面抗裂及应力验算的要求，系梁、拱肋均不出现拉应力。拱肋在使用阶段的最大主压应力为8.80 MPa，出现在拱肋与系梁结合处，最大主拉应力为-0.05 MPa，出现在拱肋与系梁结合处；系梁在使用阶段的最大主压应力为11.36 MPa，出现在系梁与拱肋结合处，最大主拉应力为-0.15 MPa，出现在系梁与拱肋结合处。副拱钢结构最大拉应力为-100 MPa，出现在和主拱结合处，最大压应力为60 MPa，出现在L/4 副拱处。所有结构应力均满足设计应力幅值要求。

3.2 空间动力特性分析

采用Midas 建立空间模型进行动力及稳定性分析计算，模型中除桥面铺装以均布荷载施加外其余均以实际截面计入，全桥共252 个节点，273 个单元，除吊杆采用桁架单元、行车道板采用板单元外，拱肋、系梁、横梁、横撑均采用梁单元模拟，其中副拱由于对主桥刚度贡献较小，空间计算模型中作为集中荷载考虑。前两阶振型见图5、图6。

图5 一阶振型

图6 二阶振型

前四阶动力特性数值见表2，结果表明一阶振型为竖向反对称弯曲，施工中应重视对称加载施工。

表2 动力特性

3.3 稳定性分析

采用特征值屈曲理论对系杆拱桥进行了稳定分析，其特征值屈曲荷载因子及其失稳模态见图7。稳定性计算结果显示，考虑恒载、活载、行车风等不利因素下，失稳模态为横桥向反对称侧弯失稳，稳定系数为85.4，本桥具有较高的稳定系数。

图7 一阶失稳模态

4 结语

通过方案设计和受力计算验证，采用带钢箱副拱钢筋混凝土系杆拱桥组合体系既能够满足结构受力要求，也能促进桥梁景观的提升，尤其适用于有景观需求的城市桥梁。落药河大桥建成后，为大沽河沿岸带来了一道靓丽的风景线，成为区域地标性建筑。