王 彩 花

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

1 工程背景

丹河快線工程項目是構建晉城市“兩場、兩站、三環(huán)、一線、十通道”城市道路骨架體系的重要組成部分。工程建設對拉開城市框架，拓展城市空間，帶動沿線土地開發(fā)，拉動城市經(jīng)濟快速發(fā)展以及高鐵機場與晉城市區(qū)的快速連接具有重要意義。

項目工程位于晉城市“六區(qū)聯(lián)動、組團發(fā)展”的高鐵新區(qū)，為規(guī)劃“一線”的重要組成部分，是南北縱向主干道，將串聯(lián)多條東西向的主要干道，形成區(qū)域交通集散的大通道。其中位于規(guī)劃丹河濕地公園范圍內(nèi)，緊鄰丹河龍門風景旅游區(qū)的丹河大橋正是丹河快線的關鍵節(jié)點工程。

按照晉城市丹河橋梁“一橋一景”的設計原則，本著突出橋梁自身特色的主旨，在深入分析城市歷史文化內(nèi)涵的基礎上采用行業(yè)領先的設計技術，力求建造一座技術水平先進，充滿晉城文化氣息的跨河大橋。

2 工程建設范圍及規(guī)模

丹河大橋工程位于丹河快線，由北引橋、主橋和南引橋三部分組成，其中主橋為單跨177 m下承式無橫撐鋼拱—鋼混組合梁組合體系拱橋[1,2]，南北兩側引橋均為(3×30+3×30)m預應力混凝土連續(xù)箱梁橋。工程范圍內(nèi)橋梁總長537 m，橋面全寬53.5 m。丹河大橋采用滿布臨時支架先梁后拱的施工方法。

主橋橋墩采用矩形柱式墩。與主橋結合部位的引橋橋墩采用薄壁橋墩。引橋橋墩采用帶橫梁雙立柱橋墩，基礎均為承臺配樁基，橋臺采用整體式橋臺，基礎均為樁基。其總體布置圖如圖1所示。

3 主橋設計[1,2]

3.1 主橋結構設計

主橋采用下承式鋼混組合梁鋼箱拱橋，橋跨布置為單跨177 m，橋寬53.5 m。全橋設兩片拱肋，無橫撐。每片拱肋標準跨徑為177 m，計算跨徑為174 m，拱軸線采用標準二次拋物線，立面矢高29 m，矢跨比為1∶6。拱肋采用矩形截面，寬4 m，高2.456 m～2.48 m。拱肋頂?shù)装搴穸葹?8 mm～40 mm，采用內(nèi)對齊；邊中腹板厚度為28 mm～40 mm，采用外對齊。拱肋縱向加勁肋采用鋼板加勁，間距約375 mm，高度200 mm，板厚20 mm～25 mm。拱肋與系梁連接處采用分離式拱腳。

吊桿順橋向間距均為8.5 m，每片拱肋縱向布置18對拉索；橫橋向采用雙吊桿，間距1.5 m。全橋共計拉索72根。

系桿采用鋼箱梁結構，梁寬3 600 mm，梁高3 200 mm。系桿布設6束37根φ15.2 mm的鋼絞線，標準強度為1 860 MPa。橋面系為縱橫梁工字型鋼板梁結構，橋面板采用預制混凝土板，通過現(xiàn)澆濕接頭和縱橫梁形成鋼—混凝土疊合梁。橫梁間距4 250 mm，采用工字鋼梁。橫梁設置縱向、橫向加勁肋，板厚14 mm(端橫梁縱向加勁肋厚度25 mm)。橫梁間設置七道縱梁，縱梁截面采用工字鋼截面。

3.2 主橋結構的特點與難點分析

丹河大橋是目前國內(nèi)橋面最寬的下承式鋼混疊合梁分離式系桿拱橋，同時也是國內(nèi)最大跨度無橫撐下承式簡支鋼箱拱橋，橋梁兩側均設計有當?shù)靥厣墓臉恰?/p>

平行箱形拱肋，拱肋線條簡潔、造型優(yōu)美，可加工性強，給抽象造型的塑造提供了便利；取消橫撐，減少了橋上行車的壓抑感，給人的感覺視覺通透，視野開闊；景觀效果的提升使得該橋拱肋的整體橫向穩(wěn)定性[3,4]變得尤為突出，也成為設計的難點。

拱腳節(jié)點處于拱肋、系梁及端橫梁的交匯處，在承受拱肋與系梁傳來的軸力、剪力、彎矩外，還承受支座傳遞的支反力，同時還有端橫梁的彎矩及剪力。受力狀態(tài)很復雜，成為該橋設計的又一重點和難點。

鋼混組合梁體系[5]具有增加梁的剛度、提高承載力，進而達到節(jié)約鋼材，降低經(jīng)濟指標的優(yōu)勢，但是如何控制在負彎矩區(qū)混凝土橋面板的受拉開裂，不影響結構耐久性和使用性能，則是該橋設計的重點。

4 上部結構設計理論與計算分析

4.1 上部結構的設計理論

主拱肋跨度177 m，作為主要的承受壓力構件，主拱肋的矢跨比對整個結構的受力有著比較大的影響。設計初期將拱肋的矢跨比分別取為1/5,1/6,1/7，進行了側向穩(wěn)定系數(shù)的比選。計算結果表明，拱肋的矢跨比越小，體系的剛度越小，拱腳軸力和拱肋水平推力越大，同時拱肋平面外受力增大，應力增加，對結構的橫向失穩(wěn)越不利。同時疊加考慮景觀效果，選取矢跨比f/L=1/6；拱軸線線型采用二次拋物線。另外由于雙拱肋之間無橫撐，側向失穩(wěn)尤為突出，因此拱肋截面選取高寬比約為1∶1.6的扁平截面，以增大拱肋的橫向抗彎抗扭剛度，同時在箱形截面的壁板上布置連續(xù)的縱向加勁肋，此時截面面積可全部考慮為受壓面積，與壁板面積共同參與結構受力，進而優(yōu)化結構，節(jié)約鋼材用量。

結合橋面系的布置，考慮吊桿間距取8.5 m為宜；且采用橫向雙豎直柔性吊桿體系?？紤]因素如下：加強橋面系的橫向剛度，改善橫梁受力，同時減小了對應的叉耳尺寸和張拉錨固空間尺寸，減少應力集中，并且有利于今后的維修與換索工程(避免了吊桿橫梁的偏心受扭)，并能解決在換索過程中由于計算跨徑增加1倍帶來內(nèi)力突增的缺點。同時吊桿下端錨固端處設置球形墊板，較好的解決短吊桿因適應溫度變化產(chǎn)生橋面位移與轉角較大產(chǎn)生的疲勞問題。

吊桿上端采用叉耳式錨固，下端張拉錨點采用錨管式錨固，錨管“嵌”在錨固橫隔板中，吊桿力通過錨墊板傳遞給錨管，再通過錨管與橫隔板的焊縫傳遞到橫隔板中，傳力順暢，受力明確。

另外，由于拱腳處于拱肋、系梁及端橫梁的交匯處，構造上各構件的橫隔板與加勁肋布置密集，力學上承受系梁的軸力、剪力、彎矩，支座的支反力和端橫梁的彎矩及剪力等，受力狀態(tài)復雜，應力大，選取材料強度高，板厚也較大；同時考慮運輸尺寸和重量的限制，設計中在拱梁節(jié)點構造采用了分離式拱腳，并且在節(jié)點范圍內(nèi)適當加密橫隔板，結合系梁與拱肋的相交增設了不同類型的肋板。

橋面系采用了一種合理、經(jīng)濟的鋼混組合梁結構形式，具有節(jié)約鋼材、降低造價、增加梁的剛度等優(yōu)點。橋面系采用系梁、端中橫梁和小縱梁組成的雙主梁梁格體系，一定程度上提高了橋面板的整體性和抗震防落梁的能力。同時考慮端橫梁作為橫向聯(lián)結系的效應，端橫梁最重要的作用是將兩片“拱肋—系桿”系統(tǒng)聯(lián)結成一體，使之不產(chǎn)生橫橋向的相對位移，同時對順橋向的拱肋相對位移也起較大的約束作用?；炷翗蛎姘宀捎梅謮K預制的形式，待鋪設到位后通過現(xiàn)澆濕接縫形成整體。對于連續(xù)組合結構橋梁，支點區(qū)域承受負彎矩，混凝土橋面板因受拉會出現(xiàn)開裂，影響結構的耐久性與使用性。設計中主要是通過增設受力鋼筋減小裂縫寬度，通過控制裂縫寬度限制的方法來控制其不利影響，簡化構造，方便施工，節(jié)省造價。

4.2 上部結構尚未計算分析

采用MIDAS-civil2019建立全橋三維空間桿系模型。拱肋、橫縱梁采用三維梁單元進行模擬，預制橋面板采用板單元模擬，吊桿、系桿采用桁架單元模擬。支座采用彈性連接進行模擬。

模型的橋面系采用了梁格結構，縱向構件包括系梁和小縱梁，橫向構件包括中橫梁和端橫梁。整體有限元模型見圖2。

橋梁整體計算模型中荷載包括自重、鋪裝、欄桿、系桿張拉力、活荷載、整體升降溫、橋面系的溫差梯度、支座沉降。主要構件驗算結果如下：

穩(wěn)定計算結果：側向穩(wěn)定安全系數(shù)約5.7，滿足規(guī)范要求(未考慮雙吊桿的保向力效應)。

拱肋強度驗算：最大穩(wěn)定壓應力位于拱腳，約為280 MPa，小于材料設計強度320 MPa;其余截面穩(wěn)定壓應力最大約250 MPa，小于材料設計強度270 MPa。

吊桿安全性進行驗算：中間吊桿拉力最大，安全系數(shù)約3.0，滿足規(guī)范要求。

系梁強度驗算：考慮剪力滯和有效寬度的有效面積折減，最大正應力位于跨中和端部，約為250 MPa，小于材料設計強度270 MPa。

縱梁強度驗算：在基本組合作用下的最大正應力約220 MPa，小于材料設計強度270 MPa。

中橫梁強度驗算：在基本組合作用下的最大正應力約170 MPa，小于材料設計強度270 MPa。

端橫梁強度驗算：在基本組合作用下的最大正應力約150 MPa，小于材料設計強度270 MPa。

橋面板裂縫驗算：位于端橫梁位置附近橋面板裂縫寬度最大，均小于0.2 mm的限值，滿足規(guī)范要求。

撓度驗算：采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值(頻遇值系數(shù)為1)對結構進行加載，結構最大豎向位移約45 mm

5 主橋動力性能分析及反應譜法抗震計算

5.1 主橋動力性能分析

經(jīng)計算可知，橫橋向振型參與質(zhì)量較大的前兩階振型為振型1(橫橋向振型參與質(zhì)量21.99%，周期1.89 s)和振型4(橫橋向振型參與質(zhì)量9.84%，周期1.37 s)，振動模態(tài)1如圖3所示。

順橋向振型參與質(zhì)量較大的前兩階振型為振型2(順橋向振型參與質(zhì)量28.23%，周期1.70 s)和振型5(豎向振型參與質(zhì)量4.21%，周期1.35 s)，振動模態(tài)2如圖4所示。

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》，本次分析不考慮豎向地震作用，故不列出其豎向振型參與質(zhì)量。從動力分析結果可知，主振型為拱肋橫向一階振動，說明拱肋橫橋向剛度較縱向小。

5.2 反應譜法抗震計算

5.2.1抗震計算基本參數(shù)

本橋址處于6度區(qū)，設計基本地震加速度為0.05g，調(diào)整后場地土特征周期為0.45 s，需要進行抗震設計。主橋為下承式鋼混疊合梁鋼拱橋，跨徑177 m，故本抗震計算采用多振型反應譜法。

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》，主拱橋抗震設防分類為甲類；主拱橋的地震影響參數(shù)應由地震安全性評價確定，相應的E1和E2地震重現(xiàn)期分別為475年和2500年，其對應的50年超越概率分別為10%和2%。

橋梁采用減隔震設計，根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》，采用減隔震設計的橋梁可只進行E2地震作用下的抗震設計和驗算。

本主橋采用反應譜法進行結構的抗震分析，取前240階振型，縱向X、橫向Y振型參與質(zhì)量分別達到了90.08%,91.71%，達到了規(guī)范須超過90%的要求。地震作用分為四種工況(本橋不考慮豎向地震)：1)順橋向(在拱平面)水平正向地震；2)順橋向(在拱平面)水平負向地震；3)橫橋向(出拱平面)水平正向地震；4)橫橋向(出拱平面)水平負向地震。

5.2.2E2地震作用下部結構驗算

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》，在E2地震作用下，主拱橋結構不應發(fā)生損傷，主梁、橋墩、基礎等重要結構受力構件可發(fā)生局部輕微損傷，震后不需修復或簡單修復可繼續(xù)使用。

根據(jù)Midas Civil計算結果，支座最大位移約77 mm，小于支座極限位移值(250 mm)；柱底正截面抗彎承載能力(65 454 kN·m)滿足截面初始屈服彎矩(300 000 kN·m)的要求；樁基礎及承臺承載能力滿足要求；樁基礎強度(8 331)滿足截面等效屈服彎矩(10 230)的要求；樁頂最大位移基本控制在約3 mm。綜上所述，E2地震作用下，主橋下部結構基本處于彈性，滿足受力及位移要求。

6 優(yōu)化和改善建議

通過對晉城丹河大橋的實例設計分析與研究，對此類新型結構的未來應用中提出如下建議：

1)穩(wěn)定問題是拱橋受壓構件的難點，也是重點。如何結合安全、經(jīng)濟、景觀等因素綜合考慮，選擇合理的矢跨比和合理拱軸線，需要反復的試算與比對，方能在保證安全的基礎上進一步優(yōu)化結構。2)拱腳節(jié)點受力狀態(tài)極其復雜，適宜建立局部有限元模型進行詳細研究。3)橋面系有鋼結構、混凝土結構和鋼混組合結構三大類。選擇何種匹配的受力體系需從整體結構剛度、安全、施工和經(jīng)濟等各方面深入分析。

7 結語

下承式無橫撐鋼混組合梁鋼拱橋作為百米跨徑有一定競爭力的一種組合橋梁結構，受力合理，傳力流暢，外形簡潔大方，結構輕巧，施工速度快，經(jīng)濟效益明顯；正在吸引不斷創(chuàng)新的橋梁工程師。晉城丹河大橋是對此類組合結構的又一次應用，通過對該工程實例的初擬、分析研究、反復修改到完善設計成果，使得對下承式系桿拱橋結構的認識又提升了一個新的臺階，可為將來類似工程的應用提供借鑒和參考。