王 帥

（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

寶雞鈦谷渭河大橋處于寶雞市代馬組團(tuán)，是溝通渭河南北兩岸的重要通道，將與盤龍大橋一起成為行政中心與高新區(qū)的主要連接樞紐。設(shè)計(jì)起點(diǎn)為現(xiàn)狀鈦谷路與高新路（規(guī)劃）交叉處，沿現(xiàn)狀鈦谷路往北連續(xù)跨越濱河南路、渭河、北側(cè)河堤路、濱河北路、連霍高速、高速輔路后與與龍崗路順接，終點(diǎn)位于龍崗路與行政大道交叉口，路線全長約1.455 km。通過適當(dāng)提高寶雞渭河南北岸跨河橋梁的布局密度，加強(qiáng)了南北客流聯(lián)系的便利程度，為遠(yuǎn)期南北交通提供充足的富余量。

圖1 主橋效果圖

主橋橋長460 m，橋?qū)?0.5 m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。拱圈是通過橫撐、斜撐和三根拱肋鋼管組成的組合式拱圈，主拱內(nèi)填充C50 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，三根鋼管均為拋物線，主拱直徑1.8 m，矢跨比1/5.5，位于豎直平面內(nèi)；兩根副拱直徑1.5 m，矢跨比4.25，由豎直平面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)19.081°得到。橫撐采用外徑60 cm，壁厚20 mm 的鋼管；斜撐采用外徑70 cm，壁厚20 mm 的鋼管。吊索采用擠壓錨固鋼絞線拉索體系。主橋總體布置與橫斷面布置如 圖2、圖3所示。

圖2 主橋上部總圖布置圖（單位：cm）

圖3 主橋橫斷面布置（單位：cm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn): 城市次干路。

（2）橋梁：城市橋梁。

（3）設(shè)計(jì)速度: 主路40 km/h。

（4）設(shè)計(jì)荷載：城-A 級。

（5）設(shè)計(jì)橋梁寬度：2.25 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動車道）+7.0 m（機(jī)動車道）+0.5 m（路緣帶）+4.0 m（拱肋區(qū)）+0.5 m（路緣帶）+7.0 m（機(jī)動車道）+3.5 m（非機(jī)動車道）+2.25 m（人行道）=30.5 m。

（6）洪水頻率：1/100（設(shè)計(jì)流量7275 m3/s，設(shè)計(jì)水位564.9 m）。

（7）地震設(shè)防烈度：抗震設(shè)防烈度為8 度，構(gòu)造措施按9 度設(shè)防。

（8）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a，設(shè)計(jì)安全等級為一級。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)采用剛性主梁柔性拱的藍(lán)格爾拱體系，由于拱的存在，對次邊跨及中跨有一定程度的加勁與封閉作用，在很大程度上阻止了中跨與邊跨之間荷載的相互傳遞，主墩支點(diǎn)幾乎成了相鄰兩跨的隔離點(diǎn)。邊跨與次邊跨、中跨的內(nèi)力影響大為減弱，邊跨很難出現(xiàn)負(fù)反力，因此可以大大降低邊跨的跨徑，提高主橋通航能力。但主橋的布孔還要考慮施工方法與全線的結(jié)構(gòu)布置，邊跨與匝道相交須加設(shè)變寬段，故本橋邊中跨比并未降低，而采用對全線更合理的邊中跨比，主橋跨徑布置為（60+105+130+105+60）m。

因鈦谷大橋橫跨渭河，主橋施工考慮經(jīng)濟(jì)性因素采用懸臂澆筑法，可通過吊桿張拉調(diào)整拱與梁的分擔(dān)比例，即為方便施工，擬依靠預(yù)應(yīng)力混凝土主梁承擔(dān)主要結(jié)構(gòu)自重，蝶形拱結(jié)構(gòu)輔助主梁承擔(dān)二期恒載與活載。與普通剛構(gòu)施工不同，懸澆段長度采用等長劃分，主要考慮吊桿與橫梁間隔固定，若為平衡梁段重量采用不等長懸澆段，則內(nèi)模板難以重復(fù)利用，施工效率大大降低，故將施工節(jié)段劃分為15 個3m 的懸臂澆筑節(jié)段。0號塊長度的設(shè)計(jì)主要考慮拱座與0號塊為整體結(jié)構(gòu)，由于拱肋管徑較大，根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06—2015）8.2.8 條的構(gòu)造要求，拱座尺寸也相應(yīng)較大，故0號塊長度設(shè)計(jì)為12 m。全橋的施工劃分為邊跨7 m現(xiàn)澆段、2 m 邊跨合龍段、15×3 m 懸澆段、12 m 零號塊、3 m 次邊跨合龍段、3 m 中跨合龍段及22 m 中跨現(xiàn)澆段。其中，22 m 中跨現(xiàn)澆段在河道中搭支架現(xiàn)澆，待拱肋施工完畢拱架拆除后及時拆除滿堂支架，確保結(jié)構(gòu)受力明確。

主梁跨中梁高3 m，墩頂梁高5.5 m，采用1.8 次拋物線變化；頂板厚32 cm，底板厚32～70 cm；腹板由55 cm 變化至80 cm；懸臂長度4.5 m。在吊索錨固張拉處設(shè)置矮橫梁，矮橫梁高度1.2 m。吊桿處標(biāo)準(zhǔn)截面如圖4 所示。

圖4 吊桿處標(biāo)準(zhǔn)橫截面（單位：cm）

鈦谷大橋拱肋為單榀拱肋，吊索布置在橫斷面中心，故將主梁斷面設(shè)計(jì)為中箱室小、邊箱室大的單箱三室斷面，從而加大中箱室剛度，保證拱梁傳力。橫梁設(shè)置主要有三種方法，在中箱設(shè)置矮橫梁、橫向通長設(shè)置矮橫梁、通長設(shè)置橫隔板。通過MIDAS FEA 局部建模分析計(jì)算，僅在中箱設(shè)置矮橫梁導(dǎo)致中腹板產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，通長設(shè)置矮橫梁僅在中箱倒角處產(chǎn)生較小拉應(yīng)力，通長設(shè)置橫隔板受力最優(yōu)。若通長設(shè)置橫隔板，混凝土方量過大，且因箱室大而封閉，采用鋼模板難拆模、拼接縫過多而導(dǎo)致澆筑質(zhì)量差，故考慮施工因素，選用通長矮橫梁方案。

預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)基本與普通剛構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，但由于中跨存在現(xiàn)澆段，須加強(qiáng)中跨底板束的縱向預(yù)應(yīng)力，且因拱肋設(shè)計(jì)為柔性拱，而相較于剛構(gòu)，本橋主梁梁高較低，中跨剛度略低，故需在0號塊設(shè)置局部短束，避免墩頂處出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.2 拱肋設(shè)計(jì)

拱圈是通過橫撐、斜撐和三根拱肋鋼管組成的組合式拱圈，主拱內(nèi)填充C50 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，三根鋼管均為拋物線，主拱直徑1.8 m，壁厚30 mm，矢跨比1/5.5，位于豎直平面內(nèi)；兩根副拱直徑1.5 m，壁厚25 mm，矢跨比4.25，由豎直平面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)19.081°得到。

由于拱圈造型特殊，整體穩(wěn)定性較差，又因市政橋梁對于美觀要求性高，須在盡可能不考慮兩側(cè)設(shè)置風(fēng)攬的前提下提高整體穩(wěn)定性。通過MIDAS CIVIL整體建模對比分析，采用同樣的主副拱肋管徑，是否灌注混凝土、調(diào)整吊桿力對穩(wěn)定性影響較小，而調(diào)整斜、橫撐管徑可大大加強(qiáng)主副拱之間的連接從而提高穩(wěn)定性，但過大的斜橫撐管徑既影響美觀，也會導(dǎo)致鋼管布置凈距難以滿足規(guī)范要求。故設(shè)置了不同的斜橫撐管徑，橫撐采用外徑60 cm，壁厚20 mm 的鋼管；斜撐采用外徑70 cm，壁厚20 mm 的鋼管。

由于主拱管徑較大，且與吊桿、斜撐錨固連接，若不灌注混凝土易引起局部鋼管變形，影響結(jié)構(gòu)安全，故主拱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；副拱為空鋼管結(jié)構(gòu)，在每組斜橫撐交匯處設(shè)置三道環(huán)向加勁肋保證局部受力安全。

3.3 吊索設(shè)計(jì)

吊桿間距一般取4～8 m，主要考慮對稱設(shè)置，為避免短吊桿過短可能產(chǎn)生的疲勞問題，以及長吊桿過長導(dǎo)致的主梁變形過大問題，取吊桿間距為6 m，次邊跨無索區(qū)長度為13.5 m，共設(shè)置14 根吊索；主跨無索區(qū)長度14 m，共設(shè)置18 根吊索。次邊跨吊索最不利工況下拉力為1510～1624 kN, 采用3.0 安全系數(shù)設(shè)計(jì)，選用OVM.GJ15-19 擠壓錨固鋼絞線拉索體系；中跨吊索最不利工況下拉力為2857～2941 kN，采用3.0 安全系數(shù)設(shè)計(jì)，選用OVM.GJ15-37 擠壓錨固鋼絞線拉索體系。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 整體模型計(jì)算分析

采用MIDAS CIVIL 對橋梁進(jìn)行分析計(jì)算，并以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）和《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》（JTG D62—2004）為標(biāo)準(zhǔn)，按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。有限元離散模型節(jié)點(diǎn)748 個，單元1200 個，邊跨支座采用彈性連接模擬，橋墩處約束采用一般支撐模擬（見圖5）。

圖5 整體計(jì)算模型

設(shè)計(jì)中考慮了以下荷載：

（1）結(jié)構(gòu)自重（自重系數(shù)1.04）；

（2）18 cm 瀝青混凝土橋面鋪裝、欄桿等二期恒載；

（3）城-A 級活載，按雙向6 車道布置；

（4）正負(fù)溫度梯度；

（5）整體升降溫22℃；

（6）靜風(fēng)荷載。

4.2 整體計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主梁計(jì)算結(jié)果

按照公路混規(guī)（JTG D62—2004）第5.1.5 條yos≤R驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)×作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值均小于等于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求，見圖6。

圖6 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果圖形

按照《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》（JTG D62—2004）第6.3.1-1 條驗(yàn)算：σst-0.80 σpc=9.34 MPa，滿足規(guī)范要求，見圖7。

圖7 結(jié)構(gòu)正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果圖形

按照《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》（JTG D62—2004）第7.1.5 條驗(yàn)算：

σkc+σpt = 17.24 MPa ≤0.5 fck= 17.75 MPa

其中：σkc為混凝土法向壓應(yīng)力；σpt 為預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求，見圖8。

圖8 正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果圖形

按照《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》（JTG D62—2004）第7.1.6 條驗(yàn)算：σcp=17.24 MPa≤0.6 fck= 21.30 MPa，滿足規(guī)范要求，見圖9。

按照《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》（JTG D62—2004）第7.2.8 條驗(yàn)算：σtcc=19.56MPa≤0.70 f 'ck= 19.88 MPa，滿足規(guī)范要求，見 圖10。

圖10 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果圖形

4.2.2 吊桿成橋內(nèi)力

為方便河道施工，通過調(diào)整吊桿力的方式分配拱梁內(nèi)力，使得混凝土主梁可承擔(dān)自身自重與施工臨時荷載，蝶形拱圈協(xié)助主梁承擔(dān)二期恒載與活載，以便采用懸臂澆筑的施工工藝，全橋合龍后，在橋面架設(shè)蝶形拱結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，得到吊桿成橋內(nèi)力如下：

成橋狀態(tài)下，吊桿承擔(dān)所有恒載的比例約11.6%，其合力已超過全部二期恒載，可以看出，通過吊桿張拉，拱圈大比例分擔(dān)二期恒載，并幫助主梁分擔(dān)其自重荷載，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成橋索力見圖11 與圖12。

圖11 邊跨吊桿成橋內(nèi)力圖（kN）

圖12 中跨吊桿成橋內(nèi)力圖（kN）

4.2.3 拱圈整體計(jì)算結(jié)果

拱圈主要構(gòu)件結(jié)果見表1。

表1 各主要鋼構(gòu)件應(yīng)力表

4.3 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

一階穩(wěn)定系數(shù)為6.24，失穩(wěn)模態(tài)如圖13 所示。

圖13 一階整體失穩(wěn)模態(tài)

4.4 拱座局部計(jì)算結(jié)果

拱座局部實(shí)體模型圖（見圖14）。

圖14 拱座局部實(shí)體模型

由于拱座不僅承受拱肋傳來的巨大軸向力，同時還收到主梁傳來的巨大內(nèi)力，在拱肋和主梁作用下拱腳處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)；同時拱座是一個不規(guī)則的實(shí)體構(gòu)造，此類不規(guī)則的復(fù)雜受力構(gòu)件難以通過桿系模型計(jì)算其受力狀態(tài)，須建立有限元空間實(shí)體模型分析。本次局部計(jì)算選取邊中跨拱肋、拱座及主梁0號塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模分析，采用大型通用有限元軟件MIDAS FEA 建立拱座局部模型，拱肋鋼管采用板單元，混凝土采用實(shí)體單元，于0號塊中心4 m 范圍內(nèi)建立支座墊石并施加固結(jié)約束。實(shí)體模型建立考慮施工階段，即按照實(shí)際施工順序先激活主梁單元及自重，后激活拱座及拱肋單元并施加拱肋內(nèi)力（見圖15）。

圖15 拱座分析結(jié)果圖

根據(jù)拱座模型對拱座的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

（1）主拉應(yīng)力

拱座主拉應(yīng)力整體很小，滿足鋼筋混凝土受力要求。主拱肋與拱座連接處及拱腳與主梁連接處較大，最大應(yīng)力值接近3 MPa，但其范圍很小。拱座由于次邊跨與中跨拱肋在拱座內(nèi)部的軸向擠壓作用，表面產(chǎn)生平均1 MPa 的主拉應(yīng)力，理論上雖不影響結(jié)構(gòu)的受力安全，但穩(wěn)妥考慮，在拱座外部外包鋼板對拱座混凝土起套箍作用并防止了表面開裂引起的鋼筋銹蝕銹脹問題。

（2）主壓應(yīng)力

主壓應(yīng)力主要分布在-1.0～-5.4 MPa，局部最大主壓應(yīng)力達(dá)到-18 MPa。

5 結(jié)語

市政橋梁不同于公路橋梁，對美觀要求更高，結(jié)構(gòu)整體造型與梁高的選取尤為重要，同時必須兼顧經(jīng)濟(jì)性，需在美觀性和經(jīng)濟(jì)性間找到合理的平衡。在結(jié)構(gòu)造型推陳出新的同時，安全性始終是設(shè)計(jì)的第一道紅線，對于參考橋型不能盲目套用，結(jié)構(gòu)參數(shù)宜重新設(shè)計(jì)計(jì)算。由于市政橋梁大都造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工可行性和安全性必須納入到設(shè)計(jì)的重要考慮因素中，同時施工必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的方法和步驟進(jìn)行，以確保受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。