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        一座無加勁弦連續(xù)鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

        2021-05-20 10:04:06陳耀軍王亞萍劉甜甜陳正星
        北方交通 2021年5期
        關(guān)鍵詞:吊桿縱梁桿件

        陳耀軍,王亞萍,劉甜甜,陳正星

        (1.臺(tái)州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 臺(tái)州市 317700; 2.臺(tái)州市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司 臺(tái)州市 317700;3.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 杭州市 310000; 4.浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司 杭州市 310006)

        1 工程概況

        某跨河連續(xù)鋼桁拱,孔跨布置為57m+152m+57m,梁端距離邊支座中心1m,全長(zhǎng)268m,見圖1。兩片主桁,主桁橫向間距24m,雙向6車道+兩側(cè)人行道,節(jié)間長(zhǎng)度9.5m,邊跨設(shè)置6個(gè)節(jié)間,中跨設(shè)置16個(gè)節(jié)間,下拱肋采用二次拋物線,矢跨比為1/4,拱肋推力由系梁及鋼橋面承受,對(duì)外無推力;中跨吊桿采用縱向雙吊桿設(shè)計(jì),全橋共設(shè)置60根吊桿;該橋建成后不僅能滿足交通功能要求,還能對(duì)提升橋位處的整體景觀起到積極作用。

        圖1 連續(xù)鋼桁拱橋型布置圖

        2 主桁設(shè)計(jì)

        常規(guī)連續(xù)鋼桁拱在中支點(diǎn)位置設(shè)置加勁弦[1],加大中支點(diǎn)桁高,保證施工及運(yùn)營(yíng)期間桿件受力,如圖2,本橋若采用加勁弦桁式,中支點(diǎn)處支座及鋼結(jié)構(gòu)均有防水要求,本橋百年水位181.12m,若采用中支點(diǎn)設(shè)置加勁弦桁式,需將主橋線路整體抬高,引橋加長(zhǎng),主橋兩側(cè)引橋各需增加約260m,增大線路投資。因此本橋采用無加勁弦連續(xù)鋼桁拱設(shè)計(jì),見圖3,孔跨布置為(57+152+57)m,雙向6車道+每側(cè)2m寬人行道。

        圖2 加勁弦連續(xù)鋼桁拱方案

        圖3 無加勁弦連續(xù)鋼桁拱橋方案

        (1)主桁片數(shù)選擇

        6車道+兩側(cè)2m人行道橋?qū)捫枨螅麒炱瑪?shù)可以采用兩片主桁、3片主桁或者分幅設(shè)計(jì)。

        ①兩片主桁受力特點(diǎn)

        行車通透性較好,兩片主桁受力對(duì)稱、制造便利,但橫梁跨度大,為了減小橫梁受力,將人行道設(shè)置在主桁外側(cè),主桁橫向間距為24m,橫梁可以通過變高設(shè)計(jì)使橫梁與下弦桿件連接匹配,用鋼量相對(duì)較省。

        ②3片主桁受力特點(diǎn)

        橋梁總寬度需要增加中間主桁構(gòu)造寬度,行車視野被中桁受限較差;橫梁由3片主桁支撐,跨度減半,受力較小,可以輕松與下弦匹配;3片主桁施工繁瑣、中桁與邊桁受力不一致增加構(gòu)造及制造難度,3片主桁適用于車道數(shù)較多的市政公路超寬橋或者活載較大的鐵路橋[2]。

        ③分幅設(shè)計(jì)

        橫梁寬度類似于3片主桁設(shè)計(jì),但需要4片主桁,上部結(jié)構(gòu)用鋼量大增,同時(shí)基礎(chǔ)費(fèi)用也增加;

        本橋綜合用鋼量、制造難度、施工難度及構(gòu)造連接便利,最終確定采用兩片主桁。

        (2)主桁桁高及矢跨比

        下拱肋節(jié)點(diǎn)線形位于二次拋物線上,最長(zhǎng)吊桿38m,矢跨比1/4;邊跨及中跨桁拱變桁高設(shè)計(jì),中跨上拱肋及邊跨上弦節(jié)點(diǎn)線形通過2個(gè)曲線圓潤(rùn)過渡,為預(yù)留橋門架位置凈空要求,邊支點(diǎn)桁高10m,中支點(diǎn)桁高21.3m,拱頂桁高6m。

        (3)節(jié)間長(zhǎng)度及主桁桁式

        為保證橫梁縱向影響線長(zhǎng)度不過長(zhǎng),縱梁計(jì)算跨度不過大,同時(shí)保證主桁桿件交角最大不超過60°,最小不小于25°,節(jié)間長(zhǎng)度設(shè)置為9.5m,邊跨6個(gè)節(jié)間,中跨16個(gè)偶數(shù)布置的節(jié)間,便于制造廠對(duì)稱制造降低難度,采用N型桁式。

        (4)主桁桿件截面布置

        邊跨上弦、下弦、中跨上拱肋、下拱肋均采用箱型桿件,桿件名稱見圖4,腹板大部分采用H型桿件,受力較大的壓桿為減小面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比采用箱型桿件,全橋桿件內(nèi)寬720mm,上弦內(nèi)高720mm,下弦內(nèi)高1260mm,下拱肋桿件根據(jù)受力程度變高設(shè)計(jì),從拱頂最小720mm內(nèi)高增加到拱腳最大1080mm內(nèi)高;工字型腹桿翼板寬度630mm。

        圖4 主桁構(gòu)件名稱示意圖

        (5)主桁節(jié)點(diǎn)形式及桿件連接

        為減少用鋼量及降低現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間,主桁采用整體節(jié)點(diǎn),桿件之間采用螺栓連接,主桁上下弦桿、拱肋采用4面對(duì)拼,工字型腹桿采用3片對(duì)拼。

        3 鋼橋面設(shè)計(jì)

        本橋?yàn)閷?duì)外無推力拱,因此采用受拉性能好的鋼橋面,拱肋推力由中跨系梁及鋼橋面承受。鋼桁拱橋面通常采用密布橫梁鋼橋面[3],本橋由于橋?qū)?,為?jié)省鋼橋面用鋼量,采用縱橫梁+小橫肋正交各向異性鋼橋面形式,橋面構(gòu)件的設(shè)置引導(dǎo)橋面?zhèn)髁ν緩接校轰摌蛎妗猆肋—橫梁—節(jié)點(diǎn);鋼橋面—U肋—橫肋—縱梁—橫梁—節(jié)點(diǎn);鋼橋面—U肋—橫肋—下弦—節(jié)點(diǎn)。

        (1)鋼橋面板及縱向加勁肋

        主桁之間設(shè)置16mm厚鋼橋面板,為了減小橫梁面外受力,橋面板與主桁下弦伸出肢相連形成連續(xù)板桁結(jié)構(gòu);車行道范圍設(shè)置高300mmU肋進(jìn)行縱向加勁,U肋橫向間距600mm,橫梁橫肋開口保證U肋連續(xù)通過。

        (2)節(jié)點(diǎn)橫梁

        節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置一道節(jié)點(diǎn)橫梁,見圖5,橫梁采用倒T型截面,變高設(shè)計(jì),橫梁端部高1260mm,與下弦等高便于連接;跨中彎矩較大區(qū)域加高到2600mm,下翼板寬740mm,厚度32mm。

        圖5 節(jié)點(diǎn)橫梁斷面布置圖

        (3)縱梁

        全橋設(shè)置6道縱梁,縱梁橫向間距3.3m,縱梁采用倒T型截面,縱梁高度1200,橫梁開孔保證縱梁連續(xù)通過,縱橫梁相交位置縱梁底板下方設(shè)置牛腿,保證彎矩傳遞。

        (4)節(jié)間橫肋

        為了減小U肋第二體系,橫梁之間設(shè)置2道橫肋,橫肋采用倒T型截面,橫肋高度840mm,由下弦及6道縱梁支撐,減小橫肋計(jì)算跨度從而減小橫肋用鋼量,橫肋與縱梁相交位置設(shè)置牛腿保證彎矩順利傳遞。

        圖6 節(jié)間橫肋斷面布置圖

        4 吊桿設(shè)計(jì)

        為減小用鋼量,本橋采用柔性吊桿。由于吊桿為20年使用壽命的可更換桿件,為便于后期吊桿更換,同時(shí)增加意外斷索結(jié)構(gòu)安全度,采用雙吊桿設(shè)計(jì),后期更換吊桿不需要中斷交通。結(jié)合下拱肋及下弦節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,采用縱向雙吊桿,吊桿縱向間距630mm,見圖7。吊桿與下拱肋、下弦節(jié)點(diǎn)板采用高強(qiáng)螺栓連接便于后期更換,下拱肋側(cè)為固定端,下弦側(cè)為張拉端,通過下弦檢查車便于吊桿更換后張拉,張拉空間不受限制。下弦頂?shù)装寰_孔同時(shí)通過水平板補(bǔ)強(qiáng)下弦受力面積。

        圖7 縱向雙吊桿布置圖

        5 聯(lián)結(jié)系設(shè)計(jì)

        為增加兩片主桁整體性,保證主桁面外穩(wěn)定,同時(shí)抵抗風(fēng)力等水平力,本橋設(shè)置平縱聯(lián)及橫聯(lián),見圖8。

        圖8 聯(lián)結(jié)系布置圖

        (1)平縱聯(lián)設(shè)計(jì)

        本橋設(shè)置下平縱聯(lián)及上平縱聯(lián),上平縱聯(lián)設(shè)置在邊跨上弦及中跨上拱肋桿件上,下平縱聯(lián)設(shè)置在中跨下拱肋桿件上,由于節(jié)間長(zhǎng)度小,兩片主桁間距大,因此采用米字型平縱聯(lián)布置;中跨第一節(jié)間下平聯(lián)因?yàn)閮艨找蟛荒軡M節(jié)間設(shè)置。

        (2)橫聯(lián)設(shè)計(jì)

        邊支座位置設(shè)置桁架橋門架,中間隔節(jié)間設(shè)置一道橫聯(lián),橫聯(lián)采用v型斜桿,中間設(shè)置直豎桿保上平縱聯(lián)面外計(jì)算長(zhǎng)度不過大,中支點(diǎn)桁高較大,采用雙層橫聯(lián),其余均采用單層橫聯(lián)設(shè)置。

        6 施工方案

        本橋施工方案為先邊跨后中跨,結(jié)合履帶吊利用臨時(shí)墩拼裝邊跨,中跨先拱肋后橋面。

        (1)在兩岸設(shè)置預(yù)拼場(chǎng),進(jìn)行主橋基礎(chǔ)和墩身的施工,同時(shí)進(jìn)行邊跨臨時(shí)支墩施工,在邊墩設(shè)置起落梁及縱橫向移梁設(shè)施;在中墩設(shè)置縱橫向移梁設(shè)施。

        (2)安裝邊墩臨時(shí)支座,利用履帶吊安裝邊跨鋼梁兩個(gè)節(jié)間。

        (3)利用履帶吊借助臨時(shí)墩架設(shè)邊跨鋼梁至中墩,邊跨主桁、橋面系、聯(lián)結(jié)系均安裝,中支座就位;鎖定中墩支座縱向水平位移,兩側(cè)進(jìn)行壓重,保證施工期間縱向抗傾覆。

        (4)利用履帶吊繼續(xù)懸拼中跨拱肋,橋面與系梁不安裝,繼續(xù)架設(shè)鋼梁至中跨中,預(yù)留合龍口;通過兩側(cè)邊支座落梁、縱移梁,使合龍口達(dá)到合龍要求,依次合龍桁拱下弦桿、桁拱斜桿、桁拱上弦桿,再連接平橫聯(lián)桿件。

        (5)吊裝中跨系梁、橋面及吊桿至中跨合龍口,微調(diào)壓重與邊支座頂落梁位移使系梁合龍口達(dá)到合龍要求,拼裝合龍口系梁和橋面板。

        (6)邊支座上抬,安裝永久支座,拆除壓重。

        (7)安裝橋面鋪裝、欄桿、人行道,施工檢查設(shè)施,涂裝最后一道面漆,成橋。調(diào)整索力使索力和高程均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)。

        7 結(jié)語(yǔ)

        本橋?yàn)闊o加勁弦市政連續(xù)鋼桁拱,桿件縱多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)橋?qū)挻髾M向受力要求高,主桁、橋面系、聯(lián)結(jié)系、吊桿各個(gè)組成部分相互影響制約,設(shè)計(jì)上需要統(tǒng)籌考慮:

        (1)主桁片數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度需要考慮橋面及聯(lián)結(jié)系的布置。

        (2)本橋?yàn)槭姓挊蛱峁┮环N結(jié)構(gòu)新穎、用鋼經(jīng)濟(jì)的橋面體系。

        (3)為增加鋼桁拱安全系數(shù)、便于后期更換吊桿及更換吊桿時(shí)減小交通影響,建議采用雙吊桿布置。

        (4)本橋?yàn)楣?jié)間長(zhǎng)度較小、桁寬較大鋼桁梁、鋼桁拱提供一種聯(lián)結(jié)系布置模式。

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