周祥樹
(江蘇省科佳工程設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214002)
隨著人們審美觀的提升,對(duì)城市橋梁外觀及造型要求越來(lái)越高,而受建設(shè)場(chǎng)地及橋下通行限制,傳統(tǒng)混凝土系桿拱橋已難以滿足施工要求。
下承式鋼箱系桿拱橋由于其跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)高度低、工廠化預(yù)制、架設(shè)速度快、中斷交通時(shí)間最短等優(yōu)越性,近年來(lái)在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多。同時(shí)鋼箱系桿拱橋結(jié)構(gòu)輕巧獨(dú)特、富有動(dòng)態(tài),配以靚麗涂裝還能為城市增添一道風(fēng)景線,因此在城市橋梁領(lǐng)域有著特殊的優(yōu)越性,應(yīng)用前景樂(lè)觀。
我國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐表明,鋼箱系桿拱橋不僅可以很好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求,而且具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1]。隨著設(shè)計(jì)規(guī)范及計(jì)算軟件的發(fā)展,對(duì)鋼箱系桿拱橋的計(jì)算也越來(lái)越完善。
本項(xiàng)目位于無(wú)錫市錫山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)西部,橋梁位于通云路上中心樁號(hào)K0+314.874,主橋跨越現(xiàn)狀北興塘河五級(jí)航道,通航凈空45 m×5 m,道路中心線與航道夾角62.1°。橋位西側(cè)為1 根架空110 kV高壓電纜,電纜與橋位水平凈距最低1.4 m;橋位東側(cè)為2 道架空熱力管道,管道距橋位邊線約8 m。根據(jù)實(shí)際調(diào)查,現(xiàn)狀高壓電纜及熱力管道均不具備遷改條件。主橋橋位平面圖見圖1。
圖1 主橋橋位平面圖
橋梁南引橋下存在1 條下穿道路,橋梁中心樁號(hào)距南側(cè)交叉口不足300 m。受水域通航要求,主橋跨度應(yīng)不低于100 m;受現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)條件和投資限制,主橋應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)高度,同時(shí)減小引橋規(guī)模以節(jié)約投資,且主橋施工不能采用吊裝或支架拼裝施工。經(jīng)過(guò)方案比選論證,最終確定主橋采用單跨100 m 下承式鋼箱系桿拱結(jié)構(gòu),引橋采用20 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支板梁;主橋采用南岸拼裝、整體頂推過(guò)河,引橋采用橋位東側(cè)吊裝施工。
橋梁橫斷面見圖2。橋面為C50 混凝土預(yù)制橋面板,主梁橫斷面布置:5.25 m(人非混行道)+1.75 m(拱肋)+0.5 m(邊防撞墻)+11.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+3 m(中分帶)+11.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m(邊防撞墻)+1.75 m(拱肋)+5.25 m(人非混行道),全寬41 m。
圖2 橋梁橫斷面(單位:cm)
橋梁主橋立面圖見圖3。主橋采用下承式鋼箱系桿拱結(jié)構(gòu),主拱拱圈計(jì)算跨徑為96.8 m,矢高20 m,矢跨比為1/4.84,拱軸線采用2 次拋物線。上部結(jié)構(gòu)由橋面系統(tǒng)、拱肋、吊桿等組成。其中橋面系統(tǒng)由外側(cè)挑梁、系桿及鋼橫梁組成。
圖3 橋梁主橋立面(單位:cm)
主橋立面布置如下:
(1)拱肋:拱肋采用3 片全焊矩形鋼箱結(jié)構(gòu),拱圈結(jié)構(gòu)采用2 050 mm×1 750 mm 矩形斷面,頂?shù)装搴穸?0~24 mm,腹板厚度20~24 mm,拱圈內(nèi)部每邊設(shè)置I 型縱向加勁。為增強(qiáng)拱肋橫向穩(wěn)定性,2 片拱肋間設(shè)置鋼風(fēng)撐,拱肋斷面見圖4。
圖4 拱肋斷面(單位:mm)
(2)吊桿:采用平行高強(qiáng)鋼絲成品索,吊桿縱橋向間距均為5 m。上端采用吊耳銷接在拱肋上,系梁端采用冷鑄墩頭錨,吊桿錨頭設(shè)置球面支座,以減小吊索附加內(nèi)力。
(3)系梁:采用3 片全焊矩形鋼箱結(jié)構(gòu),邊系桿采用2 200 mm×1 750 mm 矩形斷面,中系桿采用2 433 mm×1 750 mm 矩形斷面;系桿頂?shù)装搴穸?4~28 mm,腹板厚度24~28 mm;系桿橫橋向與挑梁及橫梁焊接成整體,為便于橫向拼接,系桿頂、底板均設(shè)置翼緣板。系梁斷面見圖5。
圖5 系梁斷面(單位:mm)
(4)挑梁:挑梁為懸臂結(jié)構(gòu),主要承擔(dān)人行及非機(jī)動(dòng)車道荷載;采用“工”字形斷面,工字型上翼緣寬0.6 m,下翼緣寬0.5 m,挑梁高度1.1~2.2 m,順橋向間距5 m,挑梁橫向與系桿焊接成整體。
(5)橫梁:端橫梁梁體為箱形斷面,縱橋向?qū)?.2 m,高度2.200~2.433 m;中橫梁為“工”字形斷面,上翼緣寬0.6 m,下翼緣寬0.5 m,中橫梁高度2.200~2.433 m。
(6)小縱梁:縱梁分為2 種類型,行車道橫向設(shè)置4 道縱梁,人行道范圍橫向設(shè)置2 道縱梁,均為“工”字形斷面,上翼緣寬0.6 m,下翼緣寬0.5 m;車行道縱梁梁高1.3 m,人行道縱梁梁高0.75 m。在橫梁、挑梁和車行道縱梁上設(shè)有剪力鍵。
(1)恒載:鋼筋混凝土容重γ=26 kN/m3;瀝青混凝土容重γ=24 kN/m3;鋼材容重γ=78.5 kN/m3。
(2)活載:汽車荷載取城-A 級(jí),雙向6 車道;動(dòng)車荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)取用。
(3)溫度荷載:計(jì)算體系均勻升溫30 ℃、降溫30 ℃引起的效應(yīng)。
(4)風(fēng)荷載:考慮橫橋向與汽車組合風(fēng),基本風(fēng)速28.6 m/s。
采用空間有限元程序(Midas/Civil)建立總體計(jì)算模型,其中拱肋、系梁、橫梁、縱梁采用梁?jiǎn)卧?,吊桿采用桁架單元,橋面板不參與總體受力。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6。
圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
2.3.1 系梁強(qiáng)度
承載能力組合作用下,系梁最大應(yīng)力130 MPa,小于規(guī)范[2]中Q345qd 鋼材強(qiáng)度270/1.1=245 MPa設(shè)計(jì)值,系梁強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。
2.3.2 拱肋強(qiáng)度
拱肋面內(nèi)抗彎慣性矩Iy= 0.106 863 m4,拱肋面積A= 0.180 4 m2。
計(jì)算長(zhǎng)度L 為拱腳到橫撐的距離,約為35 m,則拱肋長(zhǎng)細(xì)比為45.5,對(duì)應(yīng)整體穩(wěn)定系數(shù)為0.83。
承載力組合作用下,拱肋最大應(yīng)力155 MPa,小于規(guī)范[2]中Q345qd 鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)270/1.1×0.83=204 MPa,滿足規(guī)范要求。
2.3.3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性
在恒載、制動(dòng)力、橫風(fēng)荷載、活載作用下對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算,得到的1 階失穩(wěn)模態(tài)見圖7。
圖7 1 階失穩(wěn)模態(tài)(K=12.1)
在成橋工況下,1 階失穩(wěn)為拱肋面內(nèi)失穩(wěn),穩(wěn)定安全系數(shù)K=12.1,滿足要求[3]。
本工程頂推采用步履式頂推設(shè)備,在5#~9# 引橋蓋梁頂部、10# 和11# 主墩頂部設(shè)置頂推工作平臺(tái)??紤]到主橋跨徑為100 m,在距離10#、11# 主墩中心24.8 m 河中位置各設(shè)置1 排鋼管樁作為臨時(shí)支墩;為增加通航凈寬,臨時(shí)墩順航道斜向布置。頂推施工示意圖見圖8、圖9。
圖8 頂推施工示意圖(單位:mm)
圖9 橋梁頂推施工現(xiàn)場(chǎng)圖
為減小鋼拱橋懸臂距離,保證頂推過(guò)程穩(wěn)定性,在前端位置加設(shè)26 m 前導(dǎo)梁,前導(dǎo)梁上通過(guò)背撐與鋼拱肋連接;為減小主橋后端下?lián)?,在主橋后端增設(shè)12 m 后導(dǎo)梁。
步履式頂推為水平力自平衡系統(tǒng),頂托作業(yè)時(shí)橋墩及基礎(chǔ)總體計(jì)算時(shí)可不計(jì)入水平力影響,僅在支架局部計(jì)算時(shí)需考慮水平荷載影響。借鑒以往經(jīng)驗(yàn),考慮頂推過(guò)程中構(gòu)件局部変形不利因素,本項(xiàng)目頂推水平力計(jì)算按靜摩擦系數(shù)0.1 控制。
本橋?yàn)槿嵝缘鯒U,頂推過(guò)程中,拱肋與系桿間須設(shè)置臨時(shí)支撐以改善系梁受力。綜合比較施工措施費(fèi)用、施工難度、安全性,最終確定采用將拱肋拼裝支架作為臨時(shí)支撐,隨主橋一起頂推過(guò)河的施工方案。臨時(shí)胎架底部與系梁焊接固定,頂部與拱肋底板設(shè)置螺栓連接,按鉸接設(shè)計(jì),以降低頂推過(guò)程中的次效應(yīng)。頂推施工前,對(duì)吊桿進(jìn)行初張拉,初張拉荷載100 kN。初張拉荷載可有效地對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓,改善頂推過(guò)程中支架與系梁及拱肋連接節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。
目前橋梁已建成通車近3 a,使用狀況良好?,F(xiàn)狀施工完成橋梁見圖10。
圖10 現(xiàn)狀施工完成橋梁
(1)鋼箱系桿拱橋可以降低主梁重量、提升跨越能力、降低結(jié)構(gòu)高度,在景觀及對(duì)梁高要求高的跨河跨路工程中,應(yīng)用較為廣泛。
(2)本項(xiàng)目受兩側(cè)架空管線限制,主橋無(wú)法采用傳統(tǒng)的支架或吊裝施工工藝。采用鋼箱系桿拱橋整體頂推過(guò)河的施工方案,能有效解決主橋施工難題。
(3)主橋頂推施工時(shí),將步履式頂推裝置設(shè)置于引橋蓋梁頂,可大大節(jié)省施工支架措施費(fèi)用,也加快了施工工期。
(4)橋面采用鋼筋混凝土預(yù)制橋面板,既能有效降低主橋頂推施工總體重量,又可降低后期橋面維護(hù)成本。