下承式简支系杆拱桥结构设计

吴玉标

摘要：在桥梁设计中，由于下承式简支系杆拱桥具有桥面系主梁建筑高度低、造型优美、跨越能力大、造价低等独特的技术优势，常应用于跨河流、路桥及市政景观桥的设计中，尤其在跨度范围50～300 m的城市道路、公路及铁路桥梁中广泛应用。该文结合南京禄口新城如意湖大桥设计实际工程案例，对该工程桥梁的桥型方案、结构设计方案及结构计算结果的分析，可为今后该桥型的设计和施工提供一定借鉴经验。

关键词：简支系杆拱桥型方案精细化梁格模型结构计算分析

中图分类号：TU72文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）03（a）-0000-00

Structural Design of Through Simply Supported Tied Arch Hridge

WU Yubiao

（Nanjing Design Branch of Fanhua Construction Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province，210000 China）

Abstract： In bridge design， because the through simply supported tied arch bridge has the unique technical advantages of low building height， beautiful shape， large span capacity and low cost of the main beam of the bridge deck system， it is often used in the design of river crossing， road bridge and municipal landscape bridge， especially in urban roads， highways and railway bridges with a span of 50 ～ 300m. Based on the design of Ruyi Lake Bridge in Lukou new town， Nanjing， the analysis of the bridge type scheme， structural design scheme and structural calculation results of the bridge can provide some reference experience for the design and construction of the bridge type in the future.

Key Words： Simply supported tied arch; Bridge type scheme; Refined beam lattice model; Structural calculation and analysis

下承式簡支系杆拱桥是外部静定结构，属于无水平推力拱桥，故兼具拱桥的较大跨越能力的特点和对地基条件适应能力强的特点。同时具有优美的造型和低廉的造价等优点。自21世纪以来，该桥型技术在我国得到了飞速的发展。该文结合如意湖大桥的设计，介绍该桥的桥型方案选择、构造设计参数及对桥梁的施工和运营全过程的结构计算分析，为同类桥型的设计提供参考。

1工程概况

如意湖大桥是南京禄口新城中心区规划吴歌路跨越规划如意湖的一座重要景观桥梁，吴歌路道路等级为城市次干路，双向六车道设计标准，设计速度为40 km/h，桥梁全长约248.08 m，桥宽为40 m，无通航要求，但湖面要满足通行游船、龙舟、航模等水面活动要求，湖面净高不小于2.5 m。

2桥型方案设计

主跨110 m左右常见的桥型有连续梁桥、系杆拱桥、钢桁架桥及部分斜拉桥等，考虑到该桥位于城市核心区位，桥型方案的选择应具备一定的标志性和美观性，则连续梁桥和钢桁架桥这两种桥型稍显不足，故主要对系杆拱桥和部分斜拉桥这两种桥型方案进行全方位的比选，比选内容详见表1。

从城市空间关系的融合度、景观性、经济性等方面综合比较，推荐采用方案一系杆拱桥[1]。

3桥梁结构设计

3.1总体布置

如意湖大桥为65+110+65m=240m三跨简支系杆拱桥，主跨系梁采用整体式钢箱梁结构，拱肋和拱脚均采用钢箱结构;边跨系梁采用双边箱预应力混凝土箱梁结构，拱肋采用钢箱结构，拱脚采用钢筋混凝土结构。下部结构桥墩采用板式墩，桥台采用重力式桥台，基础均为群桩基础。

3.2系梁设计

3.2.1边跨系梁

边跨系梁采用双边箱预应力混凝土箱梁断面，双边箱横向间中距25.5 m，桥面全宽40.0 m。

混凝土箱梁采用单箱双室等高度形式，梁高2.2 m。预应力混凝土箱梁断面采用纵、横双向预应力体系：箱梁纵向钢束分为腹板束、顶板束和底板束。腹板束采用15股∅S15.20钢绞线，顶板束、底板束均采用12股∅S15.20钢绞线。支点横梁钢束均采用15股∅S15.20钢绞线，顶板横向悬臂钢束采用3股∅S15.20钢绞线，中间横隔梁钢束分别采用9股∅S15.20钢绞线[2]。

3.2.2中跨系梁

中跨系梁采用整体断面钢箱梁，钢箱梁采用单箱多室截面，梁高2.2 m，顶、底板板厚分别为16 mm、28 mm、36 mm，边腹板厚16 mm，侧腹板板厚28 mm，中腹板板厚16 mm。钢箱梁间隔2.7 m设置一道横隔板。

3.3拱肋设计

边跨和中跨拱肋理论计算跨径分别为62.5 m和107.0 m，矢跨比分别为f/L=1/5和f/L=1/6.25，拱轴线均为二次拋物线。拱肋断面均采用等宽变高箱型截面，边跨拱肋高度为1.5～1.836 m，宽度为2.0 m;中跨拱肋高度为1.7～2.46 m，宽度为2.0 m。拱肋钢箱顶、底板和腹板厚度均为32 mm。南、北各两条拱肋分别位于各自的竖直平面内，拱肋间无横向联接系[3]。

3.4吊杆设计

全桥共设置72对厂制吊杆，其中边跨拱肋共设置40对吊杆，吊杆间距均为5.25 m，中跨拱肋共设置32对吊杆，吊杆间距为5.4 m。吊杆采用PES（FD）-7低应力防腐成品索体，索体采用双层HDPE防护。边跨吊杆拉索采用标准强度为1 670 MPa的7～85丝的镀锌平行钢丝束，破断索力为5 463 kN;中跨吊杆拉索采用标准强度为1 670 MPa的7～73丝的镀锌平行钢丝束，破断索力为4 692 kN。吊杆均采用单端张拉，拱肋处为张拉端，系梁处为固定端[4]。

4主要施工方案

系杆拱桥的主要施工方法有原位支架先梁后拱法施工、无支架先拱后梁法施工、整体顶推法施工等。由于桥位处场地较平整且尚未开挖成湖，没有管线及其他地下构筑物影响，地质条件较好，限制施工因素较少，综合考虑施工方法的经济合理性和技术可行性，拟在桥位处采用满堂支架先梁后拱施工[5]。

5桥梁结构计算分析

采用桥梁博士V4.2版软件对本桥建立精细化梁格模型计算分析，计算内容包括桥梁的施工和运营的全过程三维静力分析、桥梁动力特性分析、桥梁整体稳定性分析、疲劳分析，从而对桥梁整体到局部的各项内容的强度、刚度、稳定性等方面进行把控。

5.1中跨钢箱梁拱上部结构计算分析

5.1.1主梁（系杆）结构计算结果分析

主梁承载能力极限状态下最大正应力42.38 MPa及最大剪应力12.53 MPa，折算应力为37.88 MPa。

主梁在汽车荷载和人非荷载作用下的最大竖向挠度为25.27 mm<220 mm（l/500）。

主梁在疲劳荷载作用下最大正应力12.41 MPa及最大剪应力2.26 MPa均小于规范容许值。

5.1.2拱肋结构计算结果分析

拱肋承载能力极限状态下最大正应力200.42 MPa及最大剪应力23.34 MPa，折算应力为89.61 MPa。

5.1.3吊杆强度计算结果分析

标准组合下最大吊杆力为1 451 kN，设计破断索力为4 692 kN，吊杆最小安全系数为3.2大于2.5。吊杆最大疲劳应力75 MPa。

5.1.4稳定性分析

通过屈曲分析得到桥梁在最不利荷载下弹性稳定系数为8.01，失稳模态为拱肋侧倾失稳。

5.2边跨预应力砼箱梁拱上部结构计算分析

5.2.1主梁（系杆）结构计算结果分析

在施工阶段，主梁截面边缘混凝土的最大压应力为12.28 MPa。构件上下缘未出现拉应力。在正常使用极限状态下，对主梁按照A类构件对各工况进行正截面和斜截面混凝土的抗裂验算：顶底缘最大正应力为11.88 Mpa，顶底缘最小正应力1.71 Mpa，最大主拉应力为0.10 MPa。在使用阶段对预应力钢束的最大拉应力进行验算：所有钢束应力均小于容许值1 209 MPa。

主梁在汽车荷载和人非荷载作用下的最大位移24.225 mm<100 mm （l/600）。

5.2.2拱肋结构计算结果分析

拱肋承载能力极限状态下最大正应力201.34 MPa及最大剪应力33.47 MPa，折算应力最大为101.66 MPa。

5.2.3吊杆强度计算结果分析

标准组合下最大吊杆力为1 769 kN，设计破断索力为5 463 kN，吊杆最小安全系数为3.1大于2.5。吊杆最大疲劳应力81 MPa。

5.2.4稳定性分析

通过屈曲分析得到桥梁在最不利荷载下弹性稳定系数为17.18，失稳模态为拱肋侧倾失稳。

6设计体会

6.1合理矢跨比

本桥中跨矢跨比1/5，边跨矢跨比1/6.25，通过计算对比分析，矢跨比越大，桥梁的稳定性越弱，建议矢跨比取值在1/6～1/4左右，可以明顯增强桥梁的稳定性，同时也会降低施工的难度[6]。

6.2拱肋与系杆抗弯刚度比

中跨EI（拱肋）/EI（系杆）=0.55，边跨EI（拱肋）/EI（系杆）=0.3，均介于1/80～80之间，属于刚性系杆刚性拱桥，拱肋与系杆均具备一定的抗弯刚度，荷载产生的弯矩在二者之间按抗弯刚度分配。适当调整二者之间的刚度比例，不致使拱脚等构件受力过于集中，充分发挥拱式组合体系桥梁的受力特性。

6.3桥型适用性强

由于刚性系杆刚性拱桥的拱肋与系杆均能承受弯矩和轴力，桥梁的整体刚度较大，适用于市政宽桥面这种设计荷载较大的桥型，同时施工方案的选择余地较大，既可以采用原位满堂支架法，又可以采用整体顶推法，能够满足不同施工场地条件的要求，施工期的安全性也易于保证[6]。

7 结语

该文通过对南京禄口新城如意湖大桥的中跨和边跨两个不同跨径的下承式简支系杆拱桥设计内容进行介绍，并采用桥梁博士V4.2版软件对本桥建立精细化梁格模型，通过结构计算分析结果可知满足桥梁设计和施工规范的要求，可为今后该型桥梁的设计和施工提供一定借鉴经验。

参考文献

[1]靳彦军.中承式系杆拱桥钢箱拱肋稳定性能研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2]牟键超，黄国清.濠江一桥下承式钢箱系杆拱桥上吊点局部受力分析[J].广东交通职业技术学院学报，2018，17（2）：30-34.

[3]袁英强.高速铁路钢箱系杆拱桥的梁轨相互作用分析[D].石家庄：石家庄铁道大学，2017.

[4]李学红.大跨径钢箱梁提篮拱缆索吊装关键技术研究[J].黑龙江交通科技，2021，44（11）：89-90，92.

[5]周志敏，房金钱.预制拼装UHPC刚架拱桥设计施工概述[J].工程与建设，2021，35（5）：957-959，962.

[6]王法武.上跨铁路下承式钢系杆拱桥设计与施工[J].铁道标准设计，2021，65（2）：77-82.