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        下承式連續(xù)拱梁組合體系異型拱橋設(shè)計(jì)

        2019-07-20 03:14:32宋書軍
        城市道橋與防洪 2019年7期
        關(guān)鍵詞:吊索腹板橫梁

        宋書軍

        (上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市 200437)

        1 概述

        下徐溪橋位于寧東新城騰飛橋及連接線工程上,騰飛路是“二橫三縱”城市主干路網(wǎng)的“中縱”,為城市主干路,規(guī)劃紅線寬度40m。大橋是連接寧東新城核心區(qū)的重要通道節(jié)點(diǎn),交通和景觀功能均很大。橋梁總體效果如圖1所示。

        圖1 橋梁鳥瞰圖

        擬建場地的下徐溪由西北往東南匯于毛嶼江(閘門控制),并排向三門灣。該河水位升降主要受西北向的西林水庫泄洪水和毛嶼江排水有關(guān),因毛嶼江大閘修建而變?yōu)槠皆秃恿?。橋位附近現(xiàn)狀大部分為農(nóng)地、果樹和空地,道路沿線地勢總體較平坦,兩側(cè)為自然人工土壩護(hù)坡,現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。地貌類型屬于濱海與內(nèi)陸相交替沉積平原,在勘察深度范圍內(nèi),地層有填土、黏土、圓礫、中風(fēng)化巖等組成,樁基以第10-2層(中等風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r)作為樁端持力層。

        下徐溪橋?yàn)橄鲁惺竭B續(xù)拱梁組合體系異型拱橋,跨徑布置為25m+80m+25m=130m,橫斷面寬40.5m,橋面設(shè)機(jī)動(dòng)車道、人非混行車道,全橋上部結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)。該橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)是拱肋立面為三角形造型,在拱軸線平面內(nèi),拱軸線由兩段直線段和一段圓弧構(gòu)成,拱肋總體橫向內(nèi)傾13.616°??缰袡M斷面布置如圖2所示。

        圖2 跨中橫斷面布置圖(單位:mm)

        2 主要技術(shù)指標(biāo)

        (1)道路等級:城市主干路。

        (2)橋面坡度:主橋最大縱坡3.0%,車行道采用雙向2.0%橫坡,兩側(cè)人行道采用1.0%反坡。

        (3)荷載標(biāo)準(zhǔn):汽車荷載取城-A級;人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)取值。

        (4)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):抗震設(shè)防烈度6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g,橋梁抗震設(shè)防類別為丙類。

        (5)通航標(biāo)準(zhǔn):無通航要求;梁底標(biāo)高按照與業(yè)主確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)控制。

        (6)設(shè)計(jì)安全等級:一級。橋梁設(shè)計(jì)使用年限:100 a。

        (7)橫斷面布置:5.75 m(人非混行道)+3.5 m(吊索區(qū))+10.75m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5m(中央分隔欄)+10.75m(機(jī)動(dòng)車道)+3.5m(吊索區(qū))+5.75 m(人非混行道)=40.5m。

        3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        3.1 結(jié)構(gòu)總體布置

        下徐溪橋?yàn)橄鲁惺焦傲航M合體系異型拱橋,橋面系為三跨連續(xù)結(jié)構(gòu),采用縱橫梁體系。拱肋立面為三角形造型,由兩榀拱肋組成,兩片拱肋之間于頂部設(shè)置橫向連系,設(shè)置鋼箱橫撐,保證拱肋橫向穩(wěn)定。吊索全橋縱向共設(shè)8對,梁上間距7.5m,吊索與拱肋在同一平面內(nèi)。吊索全部錨固于拱肋頂板的整體節(jié)點(diǎn)板上,力通過拱肋、拱梁結(jié)合段傳遞給橋墩,再擴(kuò)散到基礎(chǔ)中。此類空間三角形拱肋受力復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度大,國內(nèi)此類橋梁實(shí)例尚較少。

        3.2 拱肋、橫撐

        拱肋為鋼結(jié)構(gòu)拱肋,由兩榀拱肋組成。拱肋立面為三角形造型,在拱軸線平面內(nèi),拱軸線由兩段直線段和一段圓弧構(gòu)成:兩直線段長度為55.399m,圓弧半徑為5m,弧長8.583m。拱肋理論跨徑80m,拱肋理論高度為45m(拱軸線兩直線段的虛擬交點(diǎn)到拱腳連線之間的豎向距離),橫向內(nèi)傾13.616°。

        鋼箱拱肋采用全焊鋼箱形截面,截面呈六邊形布置。拱肋頂部圓弧段為等截面,截面寬2.2m,高2.2 m,頂?shù)装寮案拱搴窬鶠?0 mm,橫斷面如圖3所示。拱肋直線段截面高度逐漸增大,截面寬2.2m,截面高度由頂部的2.2m漸變至底部的4.5m;在拱梁結(jié)合段拱肋頂?shù)装寮案拱搴窬捎?0mm,其余標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段頂?shù)装寮案拱搴癫捎?5mm。拱肋縱向加勁肋采用一字肋,拱肋中設(shè)置橫隔板,橫隔板與拱軸線垂直,在直線段拱肋橫隔板厚16mm,在頂部拱肋段橫隔板厚20mm、25mm。拱肋頂部吊索錨固整體節(jié)點(diǎn)板板厚50mm,與拱肋頂?shù)装搴附樱⒃诙迳显O(shè)置縱橫向加勁肋。拱頂?shù)跛骷绣^固區(qū)構(gòu)造如圖4所示。

        圖3 弧線段拱肋斷面(單位:mm)

        圖4 吊索集中錨固區(qū)構(gòu)造(單位:mm)

        兩片拱肋之間于頂部設(shè)置橫向連系,設(shè)置鋼箱橫撐,共4個(gè)箱室。每個(gè)箱室之間設(shè)置兩道橫隔板,箱室外側(cè)尾部結(jié)構(gòu)用頂?shù)装寮氨诎遄鰳?gòu)造封閉,形成景觀效果,同時(shí)增強(qiáng)橫撐的整體受力,保證拱肋橫向穩(wěn)定。

        3.3 鋼主梁

        主梁加勁梁采用開口式鋼箱梁,即雙邊箱式系梁+橫梁結(jié)構(gòu)體系,橫斷面布置如圖5所示。加勁梁頂板總寬40.5 m,設(shè)2%雙向橫坡,每側(cè)系梁寬4.8m,凈距22m。在主跨吊索及邊跨范圍內(nèi)設(shè)計(jì)道路中心線處主梁梁高為2.0m,在橋墩處8.5m范圍內(nèi)設(shè)計(jì)道路中心線處主梁梁高為2.5m。系梁頂板厚20mm,底板、腹板厚16mm,其中在拱梁結(jié)合段系梁頂板局部加厚至40mm,底板局部加厚至30mm。橋面板頂板厚16mm,車行道處橋面板采用U形加勁肋,高280mm,鋼板厚8mm。其余部位的橋面板以及系梁腹板、底板均采用板肋加勁肋,高150mm,厚12mm。在車行道范圍內(nèi)設(shè)置小縱梁,橫向間距為5.4m,為倒T形截面。

        圖5 鋼主梁橫斷面(單位:mm)

        3.4 橫梁

        內(nèi)橫梁為焊接的倒T形板,間距為2.5m,全橋橋面系共設(shè)置39道。內(nèi)橫梁為變高度結(jié)構(gòu),在道路設(shè)計(jì)中心線處高2.0m,底面水平,頂面與橋面的2%雙向橫坡保持一致。

        中墩橫梁采用箱形截面,截面尺寸8.5m(寬)×2.5m(高),頂?shù)装搴?6~20mm。橫梁內(nèi)部設(shè)三道腹板,腹板設(shè)置縱、橫向加勁及橫隔板。

        邊跨端橫梁采用箱形截面,截面尺寸1.9 m(寬)×2.0m(高)。橫梁內(nèi)部設(shè)置縱向加勁及橫隔板。

        3.5 吊索

        吊索全橋縱向共設(shè)8對,梁上間距7.5m,吊索與拱肋在同一平面內(nèi)。吊索均采用規(guī)格為73?7的平行鋼絲索;吊索兩端采用冷鑄錨,張拉端設(shè)在主梁鋼箱內(nèi)。

        3.6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        主墩采用柱式墩,下接承臺(tái)樁基,橋墩單個(gè)立柱斷面尺寸為5.5m(橫橋向)×3m(順橋向),單個(gè)承臺(tái)尺寸為11m(橫橋向)×7m(順橋向),承臺(tái)高3m,每個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)采用6根直徑1.5m鉆孔灌注樁,樁基為嵌巖樁。

        橋臺(tái)采用扶壁式橋臺(tái),下接承臺(tái)樁基。承臺(tái)全長40.5m,中間設(shè)2 cm沉降縫,寬5.4m,高1.5m?;A(chǔ)采用直徑1.2m鉆孔灌注樁,樁基為嵌巖樁。

        4 施工方法

        圍堰施工鉆孔灌注樁、承臺(tái)及墩臺(tái)。梁拱采用少支架施工,先進(jìn)行梁的安裝,后在梁上搭設(shè)拱肋支架,進(jìn)行拱肋安裝施工。鋼主梁和鋼拱肋均在工廠按劃分好的節(jié)段加工,后運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。拱肋體系穩(wěn)定后拆除拱肋支架,進(jìn)行吊索安裝及張拉,結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化完成后方可拆除主梁支架。

        5 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

        5.1 靜力分析

        采用m id a s軟件建立空間梁格模型,其中吊桿(拉索)用桁架單元模擬,其他構(gòu)件用梁單元模擬,進(jìn)行施工階段、成橋及使用階段分析。計(jì)算模型如圖6所示。

        圖6 計(jì)算模型

        計(jì)算時(shí)全橋上部結(jié)構(gòu)施工模擬按少支架施工、先梁后拱的安裝工序。設(shè)計(jì)荷載計(jì)入結(jié)構(gòu)自重、附屬荷載、汽車荷載、人群荷載、整體升降溫、風(fēng)荷載、制動(dòng)力等作用。

        分析可知,鋼主梁的最大正應(yīng)力為126 MPa,鋼拱肋最大正應(yīng)力為112MPa,各構(gòu)件的應(yīng)力結(jié)果均滿足公路鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

        鋼主梁在汽車活載作用下的豎向撓度最大值位于主跨跨中,為19mm<L/500=160mm(L為主跨跨徑),結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求[3]。

        5.2 穩(wěn)定分析

        穩(wěn)定模型采用空間梁、桁架單元分別模擬結(jié)構(gòu)各組成部分,橋面板以荷載的形式計(jì)入,未考慮其有利作用??紤]自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載及風(fēng)荷載等的作用,均視為變量,進(jìn)行第一類線彈性穩(wěn)定分析。結(jié)構(gòu)的曲屈系數(shù)及曲屈模態(tài)見表1,最小的屈曲系數(shù)為22.86,呈拱肋平面外失穩(wěn),表明結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能較好,滿足規(guī)范要求(見圖 7)。

        表1 結(jié)構(gòu)曲屈系數(shù)及曲屈模態(tài)

        圖7 主橋曲屈分析第一階模態(tài)

        5.3 局部分析

        主橋整體結(jié)構(gòu)分析中,一般采取的是三維空間梁單元或簡單的板單元進(jìn)行分析,而對一些局部構(gòu)件或關(guān)鍵構(gòu)造節(jié)點(diǎn)無法采用梁進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬,這些地方成為設(shè)計(jì)中的“盲區(qū)”。為了進(jìn)行合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)、正確判定構(gòu)造設(shè)計(jì)的安全性,選擇構(gòu)造及受力復(fù)雜的局部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)區(qū)域建立細(xì)微的有限元模型,進(jìn)行詳細(xì)的受力分析,了解其內(nèi)力及應(yīng)力分布。該橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造有三個(gè)方面,即拱梁結(jié)合處、吊索在拱上的錨固區(qū)域和吊索在主梁的錨固節(jié)點(diǎn)。對該三處采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析,三處的計(jì)算模型如圖8所示。

        圖8 仿真分析模型

        經(jīng)計(jì)算分析得,局部構(gòu)件出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,但總體應(yīng)力水平不是很高,均能夠滿足受力要求。

        6 結(jié)語

        下徐溪橋在保證交通功能的前提下,又極具景觀特色,三角形拱橋的景觀效果突出且新穎,讓人眼前一亮,跳出了弧線形拱橋的審美疲勞。鑒于此類橋梁受力復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大,國內(nèi)此類橋梁實(shí)例尚較少。通過巧妙構(gòu)思集中節(jié)點(diǎn)板錨固解決上部錨固空間不足的問題,拱梁結(jié)合段合理構(gòu)造優(yōu)化了傳力路徑,主梁錨固處在吊索復(fù)雜空間關(guān)系情況下優(yōu)化錨固傳力構(gòu)造。整體設(shè)計(jì)中優(yōu)化了傳力路徑、簡化施工圖難度,同時(shí)也為此類橋梁提供了有益參考。

        合理構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了此類橋梁由效果圖轉(zhuǎn)化為施工圖紙,該橋的建成必將成為寧東新城的視野聚焦點(diǎn)。

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