王 鵬

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 工程概況

廣州市從化區(qū)修建的從化大橋，設(shè)計(jì)速度達(dá)到60km/h，采取雙向6車道的形式，兩側(cè)設(shè)置人行道和非機(jī)動車道。在主橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，選用了單跨136m下承式倒三角鋼管拱梁組合橋。

從化大橋以“流溪映月”為設(shè)計(jì)構(gòu)思，有著獨(dú)特的造型設(shè)計(jì)，所采用的拱肋結(jié)構(gòu)，外觀新穎簡潔，十分美觀，就像是皎潔的明月（見圖1）。橋上3根圓管組成的主拱支撐著全橋重量，拱肋間的聯(lián)結(jié)構(gòu)件造型，體現(xiàn)了技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合。

圖1 從化大橋?qū)嵕皥D

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 拱圈

拱圈由3根鋼管構(gòu)成，呈現(xiàn)為倒三角形的構(gòu)造，采用斜撐、橫撐的方式組成，造型十分新穎獨(dú)特，其斷面圖見圖2。

圖2 拱圈橫斷面圖（單位：cm）

主拱拱肋直徑1.8m，壁厚26mm，在拱內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。在拱肋節(jié)段內(nèi)部，沿著水平軸向設(shè)置環(huán)形加勁板，每間隔3m設(shè)置2道。加勁板均豎向設(shè)置，其位置與橫撐腹板位置對應(yīng)，加勁板厚16mm。在主拱肋內(nèi)部，沿著圓弧方向設(shè)置縱向加勁肋，每間隔45°設(shè)置1道，其中，板寬達(dá)到160mm，厚度為16mm。

副拱拱肋壁厚為22mm，直徑為1.5m。在拱內(nèi)，灌注C50微膨脹混凝土。在副拱拱肋內(nèi)部，沿著水平軸向設(shè)置環(huán)形加勁板，每間隔3m設(shè)置2道。加勁板均豎向設(shè)置，其位置與斜撐腹板位置對應(yīng)，加勁板厚16mm。在副拱肋內(nèi)部，沿著圓弧方向設(shè)置縱向加勁肋，每間隔60°設(shè)置1道，其中，板寬達(dá)到160mm，厚度為16mm。

從跨中斷面起，在主、副拱肋之間設(shè)置斜撐，間距為3m，共37對。斜撐為矩形斷面。在節(jié)點(diǎn)位置處，斜撐的截面尺寸達(dá)到60cm×50cm，其中，頂板厚16mm，腹板厚達(dá)到16mm。在2片副拱拱肋之間，采用對稱方式設(shè)置橫撐，間距為3m，共計(jì)設(shè)置37道。橫撐采用矩形斷面，截面尺寸與斜撐相同。

2.2 主梁

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，具有等高度的特點(diǎn)，整體式斷面。吊桿處主梁頂板全寬40m，寬跨比為1∶3.5；梁高3.5m，高跨比為1∶38.8，高寬比為1∶11.1。

通常情況下，主梁應(yīng)用單箱多室魚腹式斷面，吊桿處箱梁頂板寬達(dá)到40m，而無吊桿處箱梁頂板寬達(dá)到37.8m，厚度為0.28m，橫向設(shè)置雙向2.0%的橫坡。箱梁底板平直段寬17.432m，利用1條圓弧線將邊腹板與底板連接起來，圓弧半徑為20.0m，底板厚0.22m。對于中腹板來說，指的是拱肋錨固區(qū)以及系桿布置區(qū)，因此，邊腹板厚度為0.6m，中腹板厚度為0.9m。在與吊桿相對應(yīng)的位置處設(shè)置橫隔梁，每間隔6m設(shè)置1道，橫隔梁厚0.2m。橫隔梁之間3m間距處加設(shè)1道厚度為0.16m的小橫隔梁。

主梁橫斷面圖見圖3。

圖3 主梁橫斷面圖（單位：cm）

在對箱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，采用了縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)方式。縱向預(yù)應(yīng)力采用22?s15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線。橋面板橫向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，每間隔0.5m設(shè)置1根，靠近吊桿兩側(cè)為5?s15.2鋼束，遠(yuǎn)離吊桿處配置4?s15.2鋼束。有斜吊桿段橫隔梁橫向配置2根4?s15.2和4根5?s15.2鋼束，無斜吊桿段橫隔梁配置2根5?s15.2和2根9?s15.2鋼束。端橫梁4m范圍內(nèi)間隔0.4m配置預(yù)應(yīng)力鋼束，頂板配置11根5?s15.2鋼束，底板配置7根4?s15.2鋼束。

2.3 吊桿

主拱設(shè)置的吊桿共計(jì)為19根，副拱共設(shè)13對吊桿，基于吊桿索體考慮，選用PES（FD）系列新型低應(yīng)力防腐拉索。對于主拱吊桿索體來說，規(guī)格達(dá)到PES（FD）7-187，每個(gè)拉索均由187根?7mm鍍鋅高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絲組成。對于副拱吊桿索體來說，其規(guī)格達(dá)到PES（FD）7-73，每個(gè)拉索均由73根?7mm鍍鋅高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絲組成。吊桿順橋向間距為6m，在主梁與主拱拱肋內(nèi)錨固，分別為張拉端與固定端。

3 分析模型

由于本橋結(jié)構(gòu)型式特殊，必須采用空間有限元分析軟件對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)用了Midas/Civil軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算參考設(shè)計(jì)圖紙的內(nèi)容，以國家設(shè)計(jì)規(guī)范作為計(jì)算參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。主梁采用空間梁格模擬[1]，將主梁劃分為5片縱梁和若干橫梁[2]。拱肋以及橫向連接桿件采取梁單元模擬的方式，拱肋采用鋼管混凝土材料。吊桿的分析則選用了桁架單元模擬方法。全橋共劃分為1326個(gè)單元，724個(gè)節(jié)點(diǎn)[3]。全橋三維實(shí)體計(jì)算模型見圖4。

圖4 全橋三維實(shí)體計(jì)算模型

施工過程為：先施工主墩、主梁，再安裝拱肋及吊桿；然后調(diào)整吊桿力，拆除滿堂支架；最后開展一些附屬工程，包括人行道以及鋪裝施工橋面等。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 靜力分析

4.1.1 主梁計(jì)算結(jié)果

主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，在長期效應(yīng)組合主梁中，截面上緣所產(chǎn)生的最小正應(yīng)力達(dá)到了-2.95MPa，截面下緣則達(dá)到了-3.53MPa，各個(gè)截面均未產(chǎn)生拉應(yīng)力的現(xiàn)象。在短期效應(yīng)組合主梁中，截面上緣所產(chǎn)生的最小正應(yīng)力達(dá)到了-1.18MPa，截面下緣則達(dá)到了-0.46MPa，各個(gè)截面均未產(chǎn)生拉應(yīng)力的現(xiàn)象。短期效應(yīng)組合下，縱向主梁截面混凝土的主拉應(yīng)力為1.01MPa。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62—2004）（以下簡稱橋規(guī)），主梁的主拉應(yīng)力應(yīng)不大于0.40ftk=0.4×2.65=1.06MPa（式中ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），因此滿足《橋規(guī)》要求。最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間主梁與拱肋相交的位置，該位置應(yīng)力失真，其余各截面主拉應(yīng)力均較小。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主梁活載最大撓度值為18.7mm。根據(jù)《橋規(guī)》，主梁在活載作用下的撓度應(yīng)不超過計(jì)算跨徑的1/600×L=220mm，因此滿足《橋規(guī)》要求。

4.1.2 拱肋及橫、斜撐計(jì)算結(jié)果

拱肋按鋼管混凝土相關(guān)規(guī)范進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)及持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。分別選取主拱及副拱拱頂、拱座以及彎矩最大截面進(jìn)行驗(yàn)算。拱肋按鋼管混凝土單圓管偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。拱肋強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 拱肋強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算模型是適當(dāng)簡化的，實(shí)際拱肋在主梁拱座上就已經(jīng)截止，去除拱腳應(yīng)力失真截面，其余截面最大應(yīng)力為-164.83MPa。橫撐最大應(yīng)力為-46.59MPa，斜撐最大應(yīng)力為152.88MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)不大于0.8fy（式中fy為鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）。本橋鋼結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材，根據(jù)計(jì)算，其應(yīng)力應(yīng)不大于260MPa，因此滿足（《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》（GB50923—2013）要求。

4.1.3 吊桿計(jì)算結(jié)果

根據(jù)規(guī)范要求，吊桿的安全系數(shù)應(yīng)不小于3。主拱吊桿的抗拉強(qiáng)度為12018kN。主拱吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主拱吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 kN

副拱吊桿的抗拉強(qiáng)度為4692kN。副拱吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 副拱吊桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 kN

4.2 動力分析

自振特性反映振動系統(tǒng)的固有特性，是研究一切振動問題的基礎(chǔ)[4]。通過選用子空間迭代法，對全橋前30階自振特性進(jìn)行計(jì)算，其中，迭代次數(shù)共計(jì)為20次。

全橋前5階自振頻率及振型見表4。

表4 全橋前5階自振頻率及振型

根據(jù)自振特性分析結(jié)果，采用了更多的振型參與動力計(jì)算；結(jié)構(gòu)整體采用拱梁組合體系，1階頻率達(dá)到1.032Hz，結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

4.3 穩(wěn)定性分析

相關(guān)規(guī)范要求鋼管混凝土拱橋應(yīng)進(jìn)行空間穩(wěn)定性計(jì)算，彈性穩(wěn)定特征值不應(yīng)小于4。主要采用以下分析方式：成橋狀態(tài)只有恒載；成橋狀態(tài)為恒載+城-A級活載。

經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，針對1階失穩(wěn)模態(tài)而言，可表示為橫橋向失穩(wěn)，基于恒載+城-A級活載的條件下，所產(chǎn)生的穩(wěn)定安全系數(shù)為5.143。所以，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是合理的，符合《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》要求。

穩(wěn)定安全系數(shù)和失穩(wěn)模態(tài)見表5。

表5 穩(wěn)定安全系數(shù)和失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié) 語

（1）本橋采用單跨的空間拱梁組合體系，外部為簡支的靜定結(jié)構(gòu)體系，改善了支座不均勻沉降的問題。

（2）通過計(jì)算分析，本橋結(jié)構(gòu)體系合理，各構(gòu)件受力滿足規(guī)范的要求。由主拱、副拱以及橫撐、斜撐組成的空間異形拱結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。

（3）對于簡支梁與三角拱組合體系，由于梁的剛度較小，需要較大剛度的拱肋作為受力構(gòu)件承受橋梁的荷載。

（4）吊桿張拉力對主梁及拱肋的受力影響較大。在滿足主梁受力要求的前提下，應(yīng)盡量減小吊桿張拉力，從而有利于拱肋結(jié)構(gòu)的受力和穩(wěn)定性。