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        大蘆線二期浦星公路230 m下承式系桿拱橋設(shè)計

        2018-06-11 10:38:32鄢余文
        城市道橋與防洪 2018年5期
        關(guān)鍵詞:系桿主橋吊桿

        鄢余文

        (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

        1 工程概況

        上海市以“一環(huán)十射”干線航道為骨架的高等級內(nèi)河航道網(wǎng)建設(shè),是實現(xiàn)內(nèi)河航運現(xiàn)代化和水資源綜合利用,打造完善的內(nèi)河集疏運體系,實現(xiàn)多種運輸方式一體化發(fā)展,建設(shè)國際航運中心的重要舉措。

        大蘆線二期航道又名大治河,位于上海東南部,是上海市“一環(huán)十射”規(guī)劃干線航道之一,是上海國際航運中心建設(shè)的重要組成部分,是溝通洋山深水港區(qū)和相鄰省區(qū)的重要國家級集裝箱運輸主通道。

        浦星公路橋是大蘆線航道整治二期工程跨航道橋梁改建中的一座,橋梁位于閔行區(qū)浦江鎮(zhèn),鄰近大治河西閘,見圖1?,F(xiàn)狀橋梁不能滿足規(guī)劃Ⅲ級航道的通航要求,需拆除重建。

        圖1 橋梁地理位置圖

        2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        (1)航道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        航道等級:Ⅲ級通航標(biāo)準(zhǔn)。通航水位:設(shè)計最高通航水位3.2 m,設(shè)計最低通航水位2.0 m。

        航道面寬及通航凈空尺度:浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū),重建橋梁需一孔跨過通航水域,航道通航凈寬取航道設(shè)計面寬195 m,通航凈高7.0 m(矩形斷面)。

        (2)道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        浦星公路為上海市主要干線公路,道路紅線寬度45 m,按主輔斷面布置。主線為雙向6車道規(guī)模,按一級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,設(shè)計車速80 km/h;輔道為雙向2車道并考慮人行和非機動車通行,按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,設(shè)計車速30 km/h。

        (3)橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        荷載等級:汽車荷載取公路-Ⅰ級,人群荷載取2.875 kN/m2。

        抗震設(shè)防烈度7度,地震動峰值加速度為0.10 g,橋梁抗震措施等級按8度設(shè)防。主橋抗震設(shè)防類別為A類,引橋抗震設(shè)防類別為B類。

        3 建設(shè)條件

        現(xiàn)狀橋梁跨徑布置:2×22 m+35 m+42 m+35 m+2×22 m,主橋上部結(jié)構(gòu)為簡支T梁,引橋上部結(jié)構(gòu)為空心板梁。橋面為雙向4車道規(guī)模,分離式雙幅橋,橋面總寬29.5 m,見圖2。

        現(xiàn)狀橋梁通航凈寬35 m,通航凈高4.96 m,不滿足大蘆線航道規(guī)劃的Ⅲ級通航凈空尺度要求,需拆除重建浦星公路橋。

        此外,本工程新老橋中心線重合,施工期間需先拆除老橋,考慮現(xiàn)狀交通繞行并配合修建臨時交通便橋,以維持道路交通的通行。

        圖2 現(xiàn)狀浦星公路橋

        4 總體方案

        4.1 主跨取值

        浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū),航道設(shè)計面寬為195 m。主橋在航道南岸避讓航道護岸;在北岸避讓老橋橋墩,并滿足橋下防汛通道布置要求,新建主橋主跨取230 m,見圖3。

        圖3 主橋主跨布置

        將主墩遠離河道布置,可減小承臺埋深,避免深基坑開挖,并與護岸互不影響,確保主橋下部結(jié)構(gòu)安全,施工方便。

        4.2 橋梁方案設(shè)計

        浦星公路橋主跨為230 m,適用橋型主要有下承式系桿拱橋、雙塔斜拉橋等。

        與雙塔斜拉橋相比較,下承式系桿拱橋為單跨簡支結(jié)構(gòu),主橋長度規(guī)模小,造價相對較低。此外,結(jié)合本橋特定條件,部份主跨位于航道尚未開挖的岸上,部份主跨位于水中但可充分利用老橋基礎(chǔ)作為臨時支撐,較適合采用先梁后拱法施工,從而對降低主橋造價起到了關(guān)鍵作用,且降低了橋梁施工難度與風(fēng)險。

        綜上所述,浦星公路橋主橋采用單跨230 m下承式系桿拱橋,見圖4。下承式系桿拱橋主梁結(jié)構(gòu)高度低,可有效減小引橋長度,橋梁整體建筑造型優(yōu)美,與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),橋梁方案經(jīng)濟合理、景觀效果好。

        圖4 橋梁總體效果圖

        4.3 總體布置

        主橋采用計算跨徑230 m的下承式鋼箱系桿拱橋,主橋全長為237 m,主拱為提籃式鋼箱拱肋,主梁為鋼-混凝土組合梁,見圖5、圖6。

        圖5 浦星公路主橋立面圖(單位:m)

        圖6 浦星公路主橋平面圖(單位:m)

        主橋整幅布置,橋面寬度43.4 m,布置雙向6車道機動車、人行及非機動車道,其中人非車道布置于拱肋外側(cè),見圖7。

        5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        5.1 主梁設(shè)計

        主梁采用鋼-混凝土組合梁,截面中心處標(biāo)準(zhǔn)梁高3.3 m,系梁中心處標(biāo)準(zhǔn)梁高2.99 m,拱腳截面中心處梁高增加至4.3 m。橋面全寬43.4 m,梁底水平,梁頂設(shè)置雙向2.0%橫坡。

        鋼梁部份采用Q345qD全焊鋼結(jié)構(gòu),由鋼主梁(系梁)、中橫梁、端橫梁、小縱梁及挑臂組成的雙主梁體系,見圖8。

        圖7 浦星公路主橋橫斷面圖(單位:cm)

        圖8 1/2主梁截面圖(單位:mm)

        鋼主梁共設(shè)2道,中心距32.194 m,采用箱型截面,其腹板內(nèi)傾12°與拱肋腹板對齊,截面寬2.556 m,截面高2.710 m。在每道鋼主梁的箱室內(nèi)布置6根水平系桿,每根系桿采用55股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線,水平系桿錨固于鋼主梁端部,并在箱室外張拉。

        中橫梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距3.9 m,采用工字形截面,梁高2.685~3.065 m。端橫梁采用箱形截面,寬度5.0 m,梁高3.735~4.020 m。

        橋梁橫斷面上設(shè)5道小縱梁,其中2道設(shè)置于箱梁挑臂處,小縱梁采用工字形截面。

        鋼主梁外側(cè)鋼挑臂長度4.892 m,橋面布置非機動車道及人行道。其中非機動車道部份的橋面設(shè)置混凝土橋面板,人行道部份在鋼橋面上支撐設(shè)置人行道板。

        混凝土橋面板采用分塊預(yù)制施工,待鋪設(shè)到位后現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫形成整體。預(yù)制橋面板采用26 cm厚的C50鋼筋混凝土板。鋼主梁、小縱梁及橫梁的頂部采用28 cm厚的C50復(fù)合纖維混凝土現(xiàn)澆濕接縫,并通過Ф22 mm圓頭剪力釘與相應(yīng)鋼梁的頂板進行連接。

        5.2 主拱設(shè)計

        主拱體系由2片提籃式鋼箱拱肋和6道鋼箱風(fēng)撐組成。結(jié)合橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)受力,并考慮景觀效果,拱肋平面內(nèi)傾12°,拱腳處2片拱肋中心距31.5m,拱頂處拱肋中心距12.372 m。拱肋線型為二次拋物線,拱肋平面內(nèi)矢高46.0 m,矢跨比為1/5。

        拱肋材料主要采用Q345qD、拱腳區(qū)域提高至Q370qD。拱肋采用矩形截面,寬度2.5 m,高度3.6 m,見圖9。拱肋橫隔板垂直于拱軸線布置,吊桿處增設(shè)豎直向橫隔板。主拱設(shè)置6道箱型一字式風(fēng)撐,截面高度1.78 m,寬度3.5 m,見圖9。

        圖9 主拱隔板截面、吊點截面、風(fēng)撐截面圖(單位:mm)

        5.3 吊桿設(shè)計

        吊桿順橋向間距7.8 m,吊桿索面同拱肋平面,即橫橋向內(nèi)傾12°。全橋共設(shè)27對吊桿,中間吊桿采用37股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線,端吊桿采用43股Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線。

        吊桿兩端錨頭均為冷鑄錨,采用梁端箱內(nèi)張拉,拱端連接穿銷式耳板,并采用球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動。鋼主梁底板在每個吊點位置設(shè)永久施工孔,以方便張拉。

        6 結(jié)構(gòu)計算

        6.1 計算模型

        采用Midas軟件,建立三維有限元計算模型,見圖10?;炷翗蛎姘宀捎冒鍐卧M,吊桿及系桿采用桿單元模擬,其余構(gòu)件均采用梁單元模擬。

        圖10 有限元計算模型

        計算荷載包括恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載、地震荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降等,荷載組合按規(guī)范要求取值。

        6.2 靜力計算

        (1)拱肋計算

        荷載基本組合下,拱肋應(yīng)力計算結(jié)果見圖11、圖12。

        圖11 荷載基本組合拱肋上緣應(yīng)力圖(單位:MPa)

        圖12 荷載基本組合拱肋下緣應(yīng)力圖(單位:MPa)

        荷載基本組合下,拱肋全截面受壓。拱肋截面上緣最大壓應(yīng)力為216.5 MPa,位于拱頂區(qū)域。拱肋截面下緣最大壓應(yīng)力為245.8 MPa,位于拱腳區(qū)域。經(jīng)驗算,拱肋強度滿足規(guī)范要求。

        (2)鋼主梁計算

        主梁采用鋼-混凝土組合梁,在考慮混凝土橋面板全截面受力前提下,進行鋼主梁靜力計算。荷載基本組合下,鋼主梁應(yīng)力計算結(jié)果見圖13、圖14。

        圖13 荷載基本組合鋼主梁上緣應(yīng)力圖(單位:MPa)

        圖14 荷載基本組合鋼主梁下緣應(yīng)力圖(單位:MPa)

        荷載基本組合下,鋼主梁上緣最大拉應(yīng)力為82.4 MPa,位于跨中區(qū)域;上緣出現(xiàn)最大28.2 MPa的壓應(yīng)力,位于梁端區(qū)域。

        荷載基本組合下,鋼主梁下緣最大拉應(yīng)力為187.9 MPa,位于梁端區(qū)域;下緣出現(xiàn)最大47.8 MPa的壓應(yīng)力,位于跨中區(qū)域。

        經(jīng)驗算,鋼主梁強度滿足規(guī)范要求。

        (3)橋面板計算

        對于混凝土橋面板,在成橋時因為張拉水平系桿的關(guān)系,橋面板以受壓為主。計入10年收縮徐變后,橋面板變?yōu)槭芾?。荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下,橋面板應(yīng)力計算結(jié)果見圖15。

        荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下,橋面板最大拉應(yīng)力為5.83 MPa。拉應(yīng)力超過C50混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值,認為橋面板已開裂,按鋼筋混凝土偏心受拉構(gòu)件驗算其裂縫和強度。

        圖15 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合1/2橋面板應(yīng)力圖(單位:MPa)

        (4)系桿計算

        通過在鋼主梁上設(shè)置水平系桿,承擔(dān)結(jié)構(gòu)部分水平推力,改善拱肋及鋼梁受力,增加混凝土橋面板的壓應(yīng)力儲備。

        每道鋼主梁箱內(nèi)布置6根系桿。系桿力以優(yōu)化拱肋彎矩及主梁拉力為目標(biāo),進行反復(fù)試算確定。荷載基本組合下每根系桿計算拉力為 5 000 kN,采用55Φsl 5.2環(huán)氧噴涂可更換系桿,其抗拉力設(shè)計值 7 683 kN,系桿強度滿足要求。

        (5)吊桿計算

        荷載基本組合下,各吊桿內(nèi)力計算結(jié)果見表1。

        表1 荷載基本組合吊桿內(nèi)力計算結(jié)果表

        中間吊桿采用37Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線,其抗拉力設(shè)計值 5 169 kN;端吊桿(1、2、26、27號)采用43Φsl 5.2環(huán)氧鋼絞線,其抗拉力設(shè)計值 6 007 kN;吊桿強度滿足要求。

        6.3 穩(wěn)定分析

        主拱為壓彎構(gòu)件,其穩(wěn)定性是全橋可靠性的關(guān)鍵所在。采用Midas計算軟件,對主橋按第一類線彈性穩(wěn)定計算方法,計算方程為:

        在最不利工況下,成橋階段主橋第一階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋一階反對稱面外失穩(wěn),見圖16。主橋最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.8,滿足規(guī)范要求。

        圖16 主橋第1階屈曲模態(tài)

        7 結(jié)語

        浦星公路橋位于大治河西閘口門區(qū),根據(jù)航道通航要求,主橋采用計算跨徑230 m的下承式系桿拱橋一跨過河布置。

        主橋采用提籃式鋼箱拱肋,主梁為鋼-混凝土組合梁,能有效降低結(jié)構(gòu)自重,加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,增加橋梁跨越能力。結(jié)合現(xiàn)場條件,主橋推薦采用先梁后拱法施工,主拱和主梁均為大節(jié)段預(yù)制吊裝,施工方便快捷,安全可靠,對航道通航影響較小。

        本工程提籃式主拱曲線優(yōu)美,橋梁整體造型簡潔輕盈、雄偉壯觀,建成后將成為上海地區(qū)最大跨徑的下承式拱橋,并將成為大蘆線航道上的一道獨特景觀。

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