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        下承式鋼箱系桿拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析——以合肥市創(chuàng)新大道橋為例

        2021-11-30 12:21:02楊洋張浩
        安徽建筑 2021年11期
        關(guān)鍵詞:鋼箱系桿縱梁

        楊洋,張浩

        (1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

        1 總體設(shè)計

        主橋為單跨下承式斜靠鋼箱系桿拱橋方案,跨徑布置為140m。主橋采用雙向十車道+人行道及非機動車道,全寬70m,橋面布置為1.0m(檢修道)+2.5m(吊索區(qū))+3.5m(人行道)+4.0m(非機動車道)+0.5m(欄桿)+2m(側(cè)分帶)+0.5m(欄桿)+19.5m(行車道)+0.5m(欄桿)+2m(中分帶)+0.5m(欄桿)+19.5m(行車道)+0.5m(欄桿)+2m(側(cè)分帶)+0.5m(欄桿)+4.0m(非機動車道)+3.5m(人行道)+2.5m(吊索區(qū))+1.0m(檢修道)。

        拱圈及主縱梁均采用鋼箱結(jié)構(gòu);橋面采用正交異性鋼橋面板,瀝青混凝土橋面鋪裝;下部結(jié)構(gòu)采用承臺+群樁基礎(chǔ)。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 拱肋設(shè)計

        圖1 創(chuàng)新大道橋主橋橋型布置圖(單位:cm)

        圖2 創(chuàng)新大道橋效果圖

        主拱為五片鋼箱拱,分別為一片中立拱、兩片邊立拱、兩片斜拱,其中斜拱向內(nèi)傾角度為15°。拱肋中心跨徑為138m,立拱立面矢高為30m,斜拱斜平面矢高為31.2m。五片肋拱軸線均采用二次拋物線。

        邊立拱及中立拱拱肋截面采用矩形截面。寬1.6m,高2.4m,腹板伸出頂?shù)装甯?0mm,通過不同板厚來適應(yīng)不同區(qū)域的受力要求,腹板及頂?shù)装搴穸葹?0mm~28mm,拱肋縱向加勁肋采用板式加勁,間距為400mm,厚度為20mm。橫向加勁肋與拱軸線垂直,板厚為14mm。吊桿處設(shè)橫隔板,橫隔板板厚為20mm~24mm。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節(jié)點板,板厚為32mm~36mm。

        斜拱拱肋截面采用矩形截面。寬1.3m,高2.0m,腹板伸出頂?shù)装甯?0mm,通過不同板厚來適應(yīng)不同區(qū)域的受力要求,腹板及頂?shù)装搴穸葹?8mm~24mm,拱肋縱向加勁肋采用板式加勁,間距為400mm,厚度為18mm~20mm。橫向加勁肋與拱軸線垂直,板厚為12mm。吊桿處設(shè)橫隔板,橫隔板板厚為20mm。拱肋與鋼系梁連接處采用整體節(jié)點板,板厚為32mm。

        相鄰兩片拱肋通過5道鋼箱橫向風(fēng)撐連為一體。箱型風(fēng)撐的外尺寸均為1.2m×1.2m,風(fēng)撐頂?shù)装寮案拱搴穸染鶠?0mm。加勁肋為板式加勁,尺寸為14mm×160mm。

        2.2 橋面系設(shè)計

        圖3 機動車橋面系

        圖4 非機動車橋面系

        本橋機動車道的橋面系采用正交異性鋼橋面板的結(jié)構(gòu)形式。鋼橋面板的厚度為16mm,橫橋向與鋼縱梁的連接采用高強螺栓進(jìn)行栓接。鋼橋面板橫向由3根倒T型小縱梁支撐,小縱梁的梁高為800mm,間距為5.7m,腹板厚度為14mm,底板寬度為300mm,厚度為20mm。小縱梁之間設(shè)置U型加勁肋,U肋采用8mm鋼板壓制成的U形閉口肋,U肋頂寬 300mm,高280mm,底寬170mm,U肋的間距為600mm。

        橫梁為整板式的橫隔板,橫梁3.0m一道。橫梁腹板厚度為16mm,端橫梁加厚到24mm。底板厚度均為24mm,橫梁設(shè)置縱向及豎向加勁肋,其中豎向加勁肋為14mm×150mm,縱向加勁肋為12mm×120mm。橫梁與兩端主系梁通過高強螺栓連接。

        本橋非機動車道的橋面系采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)形式。鋼橋面板厚度為12mm,橫橋向與鋼縱梁的連接采用高強螺栓進(jìn)行栓接。橋面板設(shè)置板式加勁肋,板式加勁肋寬120mm,厚12mm,間距為300mm~360mm。

        橫梁為整板式的橫隔板,橫梁3.0m一道。橫梁腹板厚度為14mm,端橫梁加厚到20mm。底板厚度均為20mm,橫梁設(shè)置縱向及豎向加勁肋,其中豎向加勁肋為12mm×140mm,縱向加勁肋為12mm×120mm。橫梁與兩端主系梁通過高強螺栓連接。

        2.3 鋼縱梁

        本橋鋼縱梁采用剛性與柔性組合系桿,作為主受力結(jié)構(gòu)承受拱圈產(chǎn)生的水平推力。

        中立拱的鋼系梁梁高2.89m,寬1.6m。鋼縱梁的頂?shù)装?、腹板采?0mm~28mm厚鋼板。鋼系梁頂?shù)装寰捎冒迨郊觿爬撸觿爬吒叨葹?00mm,厚20mm鋼板焊接成。

        邊立拱的鋼系梁梁高2.5m,寬1.6m。鋼縱梁的頂?shù)装?、腹板采?0mm~28mm厚鋼板。鋼系梁頂?shù)装寰捎冒迨郊觿爬?,加勁肋高度?00mm,厚20mm鋼板焊接成。

        斜拱的鋼系梁梁高2.35m,寬1.6m。鋼縱梁的頂?shù)装?、腹板采?6mm~28mm厚鋼板。鋼系梁頂?shù)装寰捎冒迨郊觿爬?,加勁肋高度?00mm,厚20mm鋼板焊接成。

        中立拱鋼系梁設(shè)置6根15.2-14的體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線,邊立拱鋼系梁設(shè)置4根15.2-14的體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線,斜拱鋼系梁設(shè)置4根15.2-12的體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線,組成了結(jié)構(gòu)的柔性系桿體系。

        3 施工方案

        根據(jù)施工現(xiàn)場的條件以及本工程特點,本橋最終采用先梁后拱的施工方案。本橋采用的施工方案相對簡單,符合施工現(xiàn)場條件,在一定程度上能夠節(jié)約施工費用。

        4 結(jié)構(gòu)計算

        4.1 主要技術(shù)參數(shù)

        4.1.1 主要材料參數(shù)

        橋面鋪裝采用8.0cm瀝青混凝土,容重取24kN/m。

        鋼材:Es=2.1×105MPa。

        預(yù)應(yīng)力鋼絞線:fpk=1860MPa,Ep=1.95×10MPa。

        吊桿鋼絞線:fpk=1860MPa,Ep=1.95×10MPa。

        4.1.2 計算荷載

        ①恒載:結(jié)構(gòu)一期恒載包括拱肋、鋼縱梁、橋面系的自重;二期恒載包括橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、過橋管線等。

        ②活載:公路—Ⅰ級荷載,按雙向10車道計算,考慮多車道折減,按照最不利組合。

        ③溫度荷載:體系升溫32.0℃,體系降溫33.7℃。

        4.2 靜力計算

        4.2.1 計算模型

        本橋采用Midas軟件建立空間桿系有限元模型進(jìn)行靜力分析。

        橋面系采用縱橫梁模型。吊桿、系桿采用桁架單元進(jìn)行模擬,拱肋、鋼縱梁采用梁單元進(jìn)行模擬,全橋共離散成2180個單元。計算模型如圖5所示。

        圖5 全橋計算模型

        4.2.2 計算結(jié)果

        臨界荷載系數(shù)

        經(jīng)建模計算分析,在基本組合作用下,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如下:拱肋上緣最大壓應(yīng)力為163MPa(如圖6所示),拱肋下緣最大壓應(yīng)力為128MPa,縱梁上緣最大拉應(yīng)力為75.3MPa,縱梁下緣最大拉應(yīng)力為144.5MPa,均小于規(guī)范限值,滿足規(guī)范要求。

        圖6 基本組合拱肋上緣應(yīng)力

        中立拱在活載作用下最大豎向下?lián)衔灰茷?55.98mm;最大豎向上拱位移為41.28mm。中立拱系梁在活載作用下最大豎向下?lián)衔灰茷?68.71mm;最大豎向上拱位移為36.02mm。

        邊立拱在活載作用下最大豎向下?lián)衔灰茷?53.68mm;最大豎向上拱位移為43.06mm。邊立拱系梁在活載作用下最大豎向下?lián)衔灰茷?66.02mm;最大豎向上拱位移為38.33mm。

        經(jīng)驗算位移均小于L/500,滿足規(guī)范要求。

        4.3 穩(wěn)定分析

        本橋采用Midas建立空間桿系有限元模型進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。按照引起主拱肋拱頂軸向壓力最不利作用進(jìn)行穩(wěn)定性分析,考慮的作用包括一期恒載、二期恒載、溫度作用和吊桿力、系桿力、活載(人群+車道荷載)(按照影響現(xiàn)加載使拱頂產(chǎn)生最大軸力)。經(jīng)過屈曲分析得到主拱肋前三階臨界荷載系數(shù),如下表所示,從中可以看出,最小臨界荷載系數(shù)為10.76,大于規(guī)范要求值(圖7)。

        圖7 第一階屈曲模態(tài)

        5 結(jié)論

        本文介紹了主跨140m的下承式鋼箱系桿拱橋——創(chuàng)新大道橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計過程中通過合理的結(jié)構(gòu)體系、適合的橫斷面布置,使橋梁結(jié)構(gòu)受力簡單明確,構(gòu)造尺寸更為合理。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的靜動力分析,結(jié)果表明橋梁在施工階段和運營階段下,其應(yīng)力和位移均滿足相關(guān)規(guī)范要求,可以為同類型橋梁的設(shè)計提供參考。

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