周成
(上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司,上海市200065)
某橋橋位于江西省南部,是跨贛江的一座景觀橋梁。通過業(yè)主組織的方案競標(biāo),最終選擇(70+140+140+70)m連續(xù)鋼桁架橋。
本文綜述該橋的橋型方案、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計,并對設(shè)計要點進(jìn)行分析。
該橋設(shè)計荷載為汽車荷載:城-A級(按公路-Ⅰ級復(fù)核),人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ 11-2011)相關(guān)條文取為3.5 kN/m2計算。橋軸線與航道中心線交角為17°。橋址處為Ⅲ級航道,通航凈高要求:單向通航孔凈空:55 m×10m;雙向通航孔凈穿:110 m×10 m。
根據(jù)橋址處通航凈空及河道泄洪要求,方案階段,考慮該橋既屬于航道橋又是景觀橋的綜合因素,構(gòu)思了鋼桁架橋、斜拉橋、自錨式懸索橋、拱橋4類橋式方案。經(jīng)專家評選,考慮到上下游5km范圍內(nèi)已有拱橋、斜拉橋、懸索橋,同時斜拉橋、自錨式懸索橋造價也較高,最終推薦采用敞開式鋼桁架橋。
該橋為敞開式連續(xù)鋼桁架橋,主橋全長420 m,其跨徑布置為(70+140+140+70)m。橋面寬30 m,橫斷面布置為2×(2.5 m人行道+3.5 m非機動車道+3m機非分隔帶+11 m機動車道)+0.5 m中央分隔帶=40.5 m。橋梁縱坡為2.5%,豎曲線半徑為2 000 m,橋面設(shè)2.0%的雙向橫坡。該橋橋型布置見圖1所示。
圖1 橋型布置圖(單位∶m)
主桁主要采用雙腹桿的K形桁體系,靠近中支點處梁高較高,采用菱形腹桿。主桁及橫撐為桿系結(jié)構(gòu),橋面板為正交異形板。中弦桿為裝飾作用,不參與受力。由于2片桁架間距較大,達(dá)到25.5 m,為增強橫向聯(lián)系,中橫梁間距為3~4 m。桁架中墩頂部處設(shè)橫撐。
在對4種橋型方案進(jìn)行比選之后,最終采用(70+140+140+70)m四跨鋼桁架橋梁方案。
主梁采用敞開式主桁與鋼正交異性橋面板相結(jié)合,兩片主桁僅在中支點處設(shè)置橫撐相連,此類結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)用較少。敞開式主桁由于沒有橫聯(lián)與上平聯(lián),橋面視線更開闊,景觀效果更好。但由于兩片主桁橫向聯(lián)系薄弱,上弦跨中受壓桿件容易失穩(wěn),從而會引起主桁整體失穩(wěn)[1~4]。設(shè)計時,通過適當(dāng)加大弦桿桿件截面尺寸、控制桿件應(yīng)力水平,可以保證主桁穩(wěn)定。
主桁下弦桿水平布置,上弦桿線型未采用常規(guī)的水平直線,而是設(shè)計成恒載彎矩圖式曲線,塑造出風(fēng)格獨特的鋼桁梁橋。同時,加高的支點處桁架也利于主桁的整體受力。橋面系采用縱、橫肋加固的正交異性鋼橋板面體系。
主橋由兩片主桁組成,跨徑布置為(70+140+140+70)m,主桁中心距25.5 m。人行道和非機動車道設(shè)置在主桁外側(cè),通過懸臂梁支撐,橋面總寬40.5 m。每個橋墩處兩片主桁下均設(shè)有豎向支座,縱向除中墩處設(shè)固定支座外,其余均為活動支座。主橋鋼桁梁采用整體式節(jié)點設(shè)計。整體式節(jié)點具有以下優(yōu)點:整體性好、現(xiàn)場拼接工作量小、工廠化程度高。上下弦節(jié)間為7~8 m。上弦桁高采用二次拋物線變化,中支點處桁高25 m,次支點處桁高18 m,跨中桁高8 m。主桁立面布置見圖2所示。
圖2 主桁桿件布置圖(1/2模型)
主桁弦桿全部采用焊接箱型截面,截面內(nèi)寬為1 500 mm。為便于控制桿件制造精度、降低制造難度,桿件的內(nèi)寬及高度全橋不變,下弦桿件高2 400 mm,上弦高2 000 mm。腹桿全部采用箱型截面形式,外寬為1 500 mm。弦桿的最大板厚為55 mm,腹桿的最大板厚為40 mm。主桁桿件以直代曲,成橋后下弦節(jié)點均位于設(shè)計豎曲線上。通過將恒載與1/2活載位移反向疊加進(jìn)設(shè)計豎曲線中,形成制造線型供工廠制造。
橋面系由主橫梁、次橫梁、次縱梁構(gòu)成,斷面均為焊接箱型鋼,見圖3所示。橋面系主橫梁高2 400 mm,下翼緣寬700 mm,翼緣板厚30 mm,其通過高強螺栓和拼接鋼板連接主桁節(jié)點。每2道主橫梁之間設(shè)有1道次橫梁,高2 400 mm,下翼緣寬600 mm,翼緣板厚25 mm。 次縱梁共3道,高1 200 mm,下翼緣寬400 mm。次縱梁布置在主橫梁的受壓區(qū),以增加主橫梁的穩(wěn)定性。
從降低恒載自重角度出發(fā),橋面系采用無底板的鋼正交異性橋面板,橋面板厚16 mm,下設(shè)“U”形縱向加勁肋,間距600 mm,“U”形肋高280 mm,板厚8 mm。為橫向分塊起吊方便,橫向設(shè)3道小縱梁,腹板厚12 mm,高1 200 mm;底板厚16 mm,寬400 mm;腹板上端與頂板焊連。
圖3 橋梁橫斷面圖(單位∶m)
非機動車道及人行道橋面采用鋼正交異性橋面板,橋面板厚14 mm,下設(shè)鋼板加勁肋,間距360 mm,鋼板加勁肋尺寸為140 mm×12 mm。順橋向間隔1 500 mm左右設(shè)置一道橫梁,橫梁腹板厚度14 mm,底板厚16 mm,底板寬400 mm。非機動車道及人行道板設(shè)三道縱梁,縱梁頂板與主桁上翼緣焊接,腹板及底板與主桁預(yù)留板栓接,鋼板加勁也采用高強螺栓拼接。
為保證桁梁橋的整體作用,增加抗扭剛度,設(shè)置了上橫撐。為克服傳統(tǒng)鋼桁架橋框架復(fù)雜、景觀性差的缺點,該橋橋面以上只在中支點位置設(shè)置橫撐。由于采用的帶縱橫梁的正交異形橋面板體系,與桁梁能夠形成空間不變形結(jié)構(gòu),可承受水平荷載,故主桁之間不設(shè)下平聯(lián)。
建立全橋空間模型,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。主桁桿件截面高度與節(jié)長之比大于1/15,節(jié)點按剛接模擬,考慮節(jié)點剛性引起的次應(yīng)力。該橋作為4跨連續(xù)敞開式鋼桁架,上弦桿除在中支點外,未設(shè)橫撐及平聯(lián),而中跨跨中上弦桿為受壓桿件,確定其自由長度系數(shù)及計算長度,從而控制其應(yīng)力水平是該橋靜力計算的關(guān)鍵。
敞開式主桁外形簡潔、輕盈、美觀,在設(shè)計過程中,應(yīng)特別注意全橋的整體穩(wěn)定,避免整體失穩(wěn)。將恒載與活載設(shè)為變量,對四種不同工況進(jìn)行了屈曲分析計算(見表1所列)。
表1 各種工況下穩(wěn)定分析一覽表
計算結(jié)果表明:由于主橋整體剛度較大,按照上述幾種加載方式,屈曲系數(shù)均大于4,都滿足整體穩(wěn)定要求。
《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)中未包括敞開式主桁自由長度的計算方法,現(xiàn)按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ025-86)附錄一“敞開式主桁(或主梁)的自由長度計算”計算公式:
式中:E為鋼的彈性模量;I為受壓弦桿毛截面對豎向軸的慣性矩;a為節(jié)間長度;δ為橫向半框架上節(jié)點由于單位水平力作用所產(chǎn)生的一個弦桿的最大水平位移。中跨跨中上弦桿高2 000 mm,寬1 500 mm,板厚均為25 mm。計算所得面外的回轉(zhuǎn)半徑iy=776.6 mm,面外長細(xì)比為45,對應(yīng)上弦桿的軸向受壓折減系數(shù)χ為0.745。從縱向計算模型中提取跨中的上弦桿截面的彎矩、軸力,按下述公式計算如下:
主桁壓桿均按總體穩(wěn)定計算公式計算,拉桿計算應(yīng)考慮螺栓孔對桿件截面的削弱。
常規(guī)的帶上橫撐的鋼桁梁橋,在城市公路橋梁上并沒有得到廣泛的應(yīng)用,主要是由于其框架復(fù)雜、景觀性差。而敞開式連續(xù)鋼桁架橋能夠克服此種缺點,與其他鋼桁梁橋相比該橋具有以下優(yōu)點:
(1)與其他敞開式鋼桁架橋相比,該橋跨徑較大,其主跨達(dá)140 m,而國內(nèi)的敞開式鋼桁架橋跨徑一般在60 m左右。
(2)與傳統(tǒng)鋼桁架橋相比,該橋只有在中支點位置有橫撐,削減了支點和跨中部位的彎矩值,減輕了上部結(jié)構(gòu)重量,節(jié)省了上部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量,下部結(jié)構(gòu)也較輕,使工程造價有所降低。
(3)該橋采用曲線式弦桿,結(jié)構(gòu)美觀,線條較為流暢,能較好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。
該敞開式鋼桁架橋型的成功運用將為今后鋼桁架橋的設(shè)計提供借鑒和參考作用。
[1]小西一郎.鋼橋[M].日本:日本丸善株式會社,1976.
[2]趙廷衡.橋梁鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2011.
[3]吉伯海,傅中秋.鋼橋[M].北京:人民交通出版社,2016.
[4]JTG D64-2015,公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范[S].