许柯松XU Ke-song
(中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院,郑州 450000)
桥梁跨越规划三路(德民路东延线)、学院南路、桂畔海。左幅与规划三路相交斜交角为56 度,右幅与规划三路相交斜交角为84 度。与学院南路基本正交。为方便河道两岸居民通行,桥梁设置人行梯道连接本桥人行道与规划三路、学院南路人行道。主桥采用(2×30+90+2×30)m 五跨下承式复式钢箱系杆拱梁组合桥。主梁截面形式采用单箱五室,底板宽度23.5m,顶宽34.5~44.57m 渐变,通过翼缘调整变化。
①道路等级:城市主干道。
②设计车速:40km/h。
③桥面宽度:主桥为整体一幅,桥面横向宽度为34.5~55.0m,道路中部设1m 分隔带,与双侧11.75m 车行道,双外侧布置5m 人行道,其余为拱肋区与拉索区。
④桥面横坡:车行道双向2%,人行道单向1.5%。
⑤设计荷载:城-A 级,人群荷载按《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)取值[1]。
⑥整体升降温:+25℃,-25℃。
⑦梯度温度:桥面铺装为10cm 改性沥青混凝土,竖向日照正温差按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取值[2]。
⑧设计基准期:100 年。
⑨设计安全等级:一级。
⑩设计环境类别:Ⅱ类。
桥梁总体布置如图1、图2 所示。
图1 立面图(单位:m)
图2 平面图(单位:m)
主桥为五跨下承式复式钢箱系杆拱梁组合体系桥,跨径布置为:(2×30+90+2×30)m,其中上部梁采用预应力变高梁,9#、10#号墩跨中截面对称面位置梁高2.5m,在9#、10#墩顶两侧梁高按2.5m 至4.5m 变高。辅助墩侧梁高按4.5m 至2.0m 变高,边墩侧等高2.0m,变化函数按二次函数变化。
主梁截面形式采用单箱五室,箱梁顶板厚0.28m,腹板厚度0.6~1.1m,底板厚度0.25m。7#和12#桥墩处的横梁顺桥向宽度为1.8m,8#~11# 桥墩处横梁宽度3.0m,箱梁截面底面水平设计,梁顶横坡通过不等高腹板设立。
桥梁顺桥向间隔设置跨中隔板。边跨侧隔板距离为5m,根据受力需要,隔板按变高度设置,主跨侧隔板按分布于吊点位置,间距同为6m,隔板端部高度随桥宽进行变化。考虑景观要求,在隔板外端设置装饰措施,隔板在计算时考虑成集中荷载作用于桥上,对于装饰材料则按二期荷载均布与桥面上。后期为方便检修,中墩处横梁及跨中隔板间均设置人洞。
结构吊点均设置于腹板和隔板交叉位置,根据受力需求,板厚取80cm。
蝴蝶两主副拱拱脚设计成实心混凝土,拱身采用钢结构,底座与纵梁浇筑成整体。拱脚底部设置受力支座,根据受力大小,选取球形钢支座。
主桥采取3 阶段支架现浇施工方式,9#墩左侧11m至10#右侧11m、共长112m 范围内为0 号施工段。剩余边跨为1 号施工段,拱结构部分为2 号施工段。施工时,先采用万能杠杆临时支架施工主拱,然后施工副拱。
主拱截面形式为倒梯形,上下总宽、高为2m、1.4m、1.8m,中心轴曲线按二次函数变化,主拱结构投影面矢跨比32.3358:90,面内矢跨比35:90,结构外倾22.5°。
副拱截面形式为倒梯形,上下总宽、高为1.4m、1m、1.4m,中心轴曲线按二次函数变化,副拱结构投影面矢跨比11.0865:150,面内矢跨比12:150,结构内倾22.5°。
主副拱与主梁均采用固结连接,连接处采用钢混结合形式,主副拱结构与0 号段结合长度越2m。连接形式采用抗剪连接件形式,设计上为提高局部连接强度,拱脚底部设置纵横交叉钢束,以防后期拱身变形引起的开裂。
主桥主墩采用整体柱式墩,桥墩墩型为圆端型,桥墩纵厚3m,横桥向宽按24.8m 至28.786m 圆形变化。桥墩上部开椭圆形孔,椭圆的长轴长为10m,短轴长为5m。主墩承台高度为4.5m,承台底部尺寸为32×13.6×2.5m,顶部承台为椎体型,椎体顶部截面尺寸25.8×4.0m,椎体底部截面尺寸为31.8×10m,椎体高度为2.0m。
桥墩采用C40 混凝土,承台和桩基采用C35 混凝土。承台下设置2m 厚的C20 封底混凝土,采用C15 素砼,且要求封底砼每边长度比承台宽出50cm。
所有的桩基础均采用嵌岩桩基础,采用机械成桩。桩基础嵌入完整的中风化岩层深度不小于3 倍桩径。(图3)
图3 9、10 号墩处横断面图(单位:m)
①混凝土:主梁、桥墩和承台分别采用C50、C40 和C30 混凝土,桩基采用C30 水下混凝土[3]。
②普通钢绞线:采用PC 高强度低松弛(Ⅱ级松弛)七股型钢绞线。
③普通钢筋:采用HPB300、HRB400 钢筋。
④钢材:采用Q345qC 钢材,性能符合《桥梁用结构钢》之规定[4]。
⑤系杆索:主拱、副拱系杆索采用镀锌钢绞线[5]。
采用Civil 建立杆单元分析模型。结构中系杆索采用桁架单元,其余均采用梁单元。主墩及次边墩采用承台底部模拟地基刚度的形式加以约束,边墩采用活动支座支承形式模拟。成桥状态模型简图如图4。
图4 成桥状态模型简图
稳定性在一定程度上决定了结构是否能够正常运营,对于大跨度拱桥结构影响更甚。本桥采用的是五跨下承式复式钢箱系杆拱梁组合结构,设计为支承体系结构。为了桥梁结构的美观性,本桥采用的蝴蝶拱的造型,未设置横撑结构,主拱及副拱的稳定性更是设计中的重中之重。采用Civil2020 建立整体计算模型,将恒载、部分车载和人群荷载以及风荷载[6]计入屈曲分析荷载项。屈曲模态分析结果如图5、图6 所示。
由图5~图6 可知,成桥阶段副拱最小屈曲稳定系数5.887,主拱最小屈曲稳定系数为10.29,均满足不小于4的规范要求,且明显副拱先于主拱失稳,设计上应提高副拱刚度,尽量协调主、副拱刚度匹配,避免结构局部构件破坏形成不必要的损失。在考虑结构美观性的同时,安全应是首要考虑的因素。
图5 一阶屈曲模态分析结果(副拱失稳)
图6 四阶屈曲模态分析结果(主拱失稳)
由于拱肋采用钢箱型截面,相比于混凝土构件,压屈局部稳定性较差,尤其是拱肋的面外稳定,受横向力影响较大。以下通过在副拱上设置横撑,研究横撑对结构稳定性的影响。
由图7~图8 可知,设置横撑后,成桥阶段副拱最小屈曲稳定系数提高至15.48,主拱最小屈曲稳定系数为9.985,基本保持不变。从结果来看,设置横撑对结构稳定影响较大,设计上可根据需要设置必要的横撑。此外,横撑设置位置有一定的选择性,应根据需要在最先可能发生失稳的位置设置,尽量做到在考虑美观性的同时,又能达到更经济的实际意义。
图7 一阶屈曲模态分析结果(主拱失稳)
图8 五阶屈曲模态分析结果(副拱失稳)
近年来,钢箱系杆拱在景观桥梁设计方面应用越来越多,发展前景广大,未来可期。拱肋作为主要的受力部分,在追求美观性的同时,确保整体结构受力安全是首要因素。由于钢箱系杆拱造型奇特,施工时受外部条件制约较多,对施工过程的稳定要求宜不可忽视。本文中钢箱系杆拱构造形式具有很好的景观效果,对于连接两岸居民通行以及城市发展有很好的现实意义。本文主要利用有限元软件分析了蝴蝶拱桥拱肋的稳定性,由分析结果证明了本桥结构体系满足结构稳定性的要求;同时,表明了拱结构体系设置必要的横撑对于结构屈曲稳定的提高有较大程度的影响。最后,望本文案例设计结果对类似桥梁结构的设计有一定的参考意义。