扬州江广快速路连续钢桁架拱桥设计及计算
时间：2023-02-22 10:35:07 来源：千叶帆 本文已影响人
鄢余文，孙一鸣
[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]
扬州江广快速路是扬州市中心城区快速路网的重要一横，是扬州主城区向东连接生态科技新城、江都区的快速通道，是市区与扬州东站高铁枢纽的集散通道。
江广快速路控制性工程——茱萸湾大桥跨Ⅱ级航道京杭大运河，主桥主跨140 m，桥面总宽53.2 m，布置双向8 车道加人非车道。
大桥方案遵循“运河之城、时代巨轮、华美乐章”的设计理念。主桥采用下承式连续钢桁架拱桥，整体造型似一艘巨轮，致敬扬州悠久的运河文化。本桥刚劲的桁架与附近万福大桥柔性的主缆交相辉映、刚柔并济。主桥三片曲线形的桁架拱，外形优美流畅、现代大方，配以炫丽的景观亮化照明，谱写华美乐章，为扬州增添新的城市景观（见图1）。
图1 扬州江广快速路茱萸湾大桥建成实景
（1）道路等级：城市快速路，设计车速80 km/h。
（2）设计荷载：汽车荷载采用城-A 级，人群荷载按《城市桥梁设计规范》计取。
（3）通航标准：京杭大运河为Ⅱ级航道，设计最高通航水位7.80 m，最低通航水位3.33 m，通航净空尺度不应小于130.43 m×7.0 m（宽×高，矩形断面）。
（4）抗震设防标准：抗震设防烈度7 度，水平向设计基本地震动加速度峰值0.15g；
抗震设防类别乙类；
抗震设防措施等级8 度。
（5）结构安全等级：一级，重要性系数1.1。
（6）设计基准期：100 a。
3.1 立面布置
茱萸湾大桥的主桥为三跨42 m+140 m+42 m 连续下承式钢桁架拱桥，采用柔性吊杆、组合桥面系。钢桁架拱整体为弧形曲线，桥梁结构通过钢桁架拱肋、桥面系和系杆构成无推力平衡体系（见图2）。
图2 茱萸湾大桥立面布置图（单位：m）
3.2 横断面布置
主桥横断面整幅布置，钢桁架横向设3 片拱肋，边拱肋宽度1.2 m，中拱肋宽度1.8 m。桥面车行道部分为双向8 车道，两侧设置4 m 宽非机动车道和3.5 m宽人行道，桥面总宽53.2 m（见图3）。
图3 茱萸湾大桥横断面布置图（单位：m）
4.1 主桁架
主桥含三片钢桁架拱肋，桁架之间设置5 道风撑。拱肋竖直，中心距2×22.45 m。桁架拱肋由上弦杆、下弦杆和腹杆组成[1]。
拱顶处上下弦杆竖向中心间距5.0 m。主墩顶处下弦杆与系梁相交于系梁中心，上弦杆中心与系梁中心竖向间距13 m。边墩处主梁中心与上弦杆中心竖向间距5.0 m。
下弦杆采用二次抛物线，下矢高32.0 m，矢跨比为1∶4.375。上弦杆采用二次抛物线与圆曲线结合，上矢高37 m[2]。
桁架腹杆在中跨连接拱肋上下弦杆，在边跨连接上弦杆和主梁。标准桁架节间长度为4.8m。腹杆分为直腹杆和斜腹杆，斜腹杆方向中跨与边跨方向相反，并以主桥中心对称，全桥呈密布N 型钢桁架梁拱结构形式。
钢桁架上下弦杆截面为箱型，中拱肋截面1.8 m×1.2 m（宽×高）、边拱肋截面1.2 m×1.2 m。腹杆为工字型断面，横桥向尺寸与对应的弦杆一致便于连接。
钢桁架在中跨设置5 道风撑连接三片拱肋，边跨不设风撑。拱顶风撑为米字型布置，其余4 道风撑均为K 型布置，风撑截面均为工字型（见图4）。
图4 茱萸湾大桥桁架结构平面图（单位：m）
4.2 桥面系
桥面系由系梁、小纵梁、中支点横梁、边支点横梁和标准中横梁组成梁格体系组成，并通过底钢板与现浇混凝土板组合成钢- 混凝土组合结构桥面系。
系梁与钢桁架拱肋对应布置，共3 道，中心距2×22.45 m。中跨系梁与系杆一道参与平衡拱桥的水平分力。系梁为箱型断面，中系梁尺寸为1 800 mm×1 800 mm（宽×高）、边系梁尺寸为1 200 mm×1 800 mm（宽×高）。
横梁包括标准中横梁、中支点横梁和边支点横梁，标准间距为3.2 m。标准中横梁为工字型断面，高度1 800 mm，翼缘宽度600 mm。
中支点横梁为2 道箱型断面，尺寸分别为2000mm×1 800 mm（宽×高）、1 800 mm×1 800 mm（宽×高），中间通过平联连接形成整体。边支点横梁同样为2道箱型断面，尺寸分别为1 400 mm×1 800 mm（宽×高）、1 073 mm×1 800 mm（宽×高），中间通过平联连接形成整体。
横断面上布置两道小纵梁，采用工字型断面，高800 mm，顶板宽600 mm、底板宽500 mm。
人行道布置在两侧拱肋外侧，宽3.5 m（含栏杆）。由钢挑梁、钢纵梁和钢盖板组成。
茱萸湾大桥1/4 桥面系布置如图5 所示。
图5 茱萸湾大桥1/4 桥面系布置图（单位：m）
4.3 组合桥面板
组合桥面板由底钢板、带孔钢板（PBL 剪力键）、现浇混凝土、钢筋和焊钉等组成。
组合桥面板与系梁不直接连接，主要支撑在横梁和小纵梁上。底钢板四边焊接在横梁、小纵梁的顶板上，厚度为8 mm。每个由横梁、小纵梁形成的矩形格子间设置一块底钢板。
底钢板上沿顺桥向设置开孔板（见图6），开孔板兼作底钢板的加劲和组合桥面板的剪力键，其标准间距为400 mm；
开孔板厚度为10 mm，高度为100 mm，开孔直径为50 mm，开孔间距为100 mm。
图6 组合桥面开孔板现场照片
现浇混凝土板的标准厚度为150 mm，在与横梁和小纵梁连接处设置加腋，桥面板厚度增加至250 mm。混凝土采用C50 低收缩、高抗裂、高韧性的混杂纤维混凝土[3-4]。
剪力钉主要布置在横梁、小纵梁顶面和承托处，采用φ22 mm 圆柱头焊钉，高度200 mm，材料为ML15，剪力钉标准间距为200 mm×200 mm。
组合桥面板构造如图7 所示。
图7 组合桥面板构造图（单位：mm）
4.4 吊杆和系杆
全桥在中跨对应拱肋共设置3 排吊杆，每排13根吊杆，吊杆间距为9.6 m。吊杆采用环氧钢绞线，型号为25 股、31 股、43 股和55 股φs15.24 钢绞线。吊杆采用整束挤压锚固钢绞线拉索体系，梁端和拱端均冷铸锚，其中梁端为张拉端，设置球铰以适应吊杆微小转动。
为平衡拱肋水平推力，在中跨系梁内设置水平系杆，每个系梁内各设置4 根系杆，中系梁内系杆型号为37 股φs15.24 钢绞线，边系梁内系杆型号为19股φs15.24 钢绞线。水平系杆索采用环氧钢绞线，设计为可单根安装、张拉和更换，并配套采用相应的锚固、转向和分丝转向装置。
桥梁采用先拱后梁的施工方法。在施工过程中，设置临时系杆，以平衡体系转换前桁架拱的水平推力，每片拱肋设置2 根临时系杆。
5.1 整体静力计算
（1）计算模型。主桥整体计算采用Midas Civil 进行空间有限元建模，桁架拱及桥面梁格体系采用梁单元模拟，组合桥面板采用双层板单元，吊杆和系杆采用桁架单元。
（2）计算荷载。汽车荷载按城-A 级，人群荷载按2.4 kPa 考虑。梯度温度按顶板升温15℃，降温7.5℃计算，风荷载取1.6 kPa。
（3）钢结构强度验算。结构安全系数取1.1，按规范要求的基本组合进行验算，取最不利工况验算结果。经验算，钢桁架拱肋弦杆最大压应力230 MPa，位于中支点拱脚处；
腹杆最大轴向压应力106.8 MPa，位于边拱肋1/4 跨处；
系梁最大拉应力190 MPa，最大压应力206 MPa，均满足规范要求（见图8 至图10）。
图8 钢桁架拱肋弦杆正应力图（单位：MP a）
图9 钢桁架拱肋腹杆正应力图（单位：MP a）
图10 钢系梁正应力图（单位：MP a）
（4）吊杆和系杆应力。
经验算，中拱肋在1/4 拱跨处吊杆受力最大，最大吊杆应力为891 MPa，边拱肋也是在1/4 拱跨处吊杆受力最大，最大吊杆应力778 MPa。
中系梁内系杆最大拉应力1 000 MPa，边系梁内系杆最大拉应力928 MPa。
吊杆和系杆应力均小于规范规定的钢绞线材料抗拉强度设计值。
5.2 动力分析
通过对主桥进行动力特性分析，成桥状态下一阶振型为主拱和主梁跨中竖弯，频率为1.80（见图11）；
二阶振型为主拱和主梁在1/4 跨反对称竖弯，频率为1.84。可见主桥具有良好的动力特性[5]。主桥前6 阶典型自振频率和振型特征见表1。
图11 一阶振型（对称竖弯）
表1 主桥前6 阶自振频率
5.3 稳定分析
钢桁架拱肋的杆件以受压为主，其整体及局部稳定是设计的关键。
稳定计算的荷载考虑恒载、车道荷载、人群荷载和风荷载。采用未考虑初始缺陷的线弹性理论模型进行稳定分析，稳定系数不小于4.0[6]。
经计算，恒载作用下，拱肋稳定安全系数为18.1；
恒载＋活载作用下，拱肋稳定安全系数为15.6，均满足规范要求。一阶失稳模态均为拱肋整体多波节面外失稳，如图12 所示。
图12 钢桁架拱肋一阶失稳模态
5.4 组合桥面板计算
钢- 混凝土组合桥面板与混凝土叠合桥面板相比，提高了桥面板的抗弯能力，减小了混凝土板的厚度。同时，底钢板作为浇筑混凝土的底模板，减小了模板的安装和拆除，缩短了工期。
钢- 混凝土组合桥面板采用以概率理论为基础的极限状态设计法，进行以下验算。
（1）钢- 混凝土组合桥面板的正截面抗弯承载能力。
经计算，桥面板支点弯矩71.5 kN，跨中弯矩51.1 kN，支点处最大剪力为96.2 kN，组合桥面板正弯矩抗弯承载力169.7 kN，大于51.1 kN，负弯矩承载力78.5 kN，大于71.5。
（2）斜截面抗剪承载能力。斜截面抗剪承载能力需要计算垂直于带孔钢板方向和平行于带孔钢板方向。垂直于带孔钢板方向是指桥面板截面的整体抗剪能力。平行于带孔钢板方向的斜截面抗剪承载能力主要由混凝土和底钢板两部分共同承担。
a. 垂直于带孔钢板方向抗剪承载力。垂直于带孔钢板方向剪力作用范围为：
因此取剪力作用范围内的有效肋宽：
0.07 fcdWrh0= 193.18 kN＞1.3＞×Vs= 125.1 kN
b. 平行于带孔钢板方向抗剪承载力。平行于带孔钢板斜截面抗剪承载力主要由混凝土和底钢板两部分共同承担，即：
（3）抗冲切承载能力。
冲切承载能力567 kN，远大于轮载。
（4）带孔钢板剪力键的抗剪承载力。当带孔钢板内有贯穿钢筋时，其承载能力为：
故带孔钢板剪力键抗剪承载力满足要求[4]。
（5）裂缝宽度验算。负弯矩区荷载准永久组合效应设计值为23.1 kN，频遇组合的效应设计值为37.4 kN，钢- 混凝土组合桥面板负弯矩区的纵向受拉钢筋应力为48.3 MPa，裂缝宽度为0.026 mm。
（1）江广快速路茱萸湾大桥采用三跨连续钢桁架拱桥，总体布置与快速路功能和航道通航要求相适应，桥梁结构受力合理、造型流畅美观，建成后已成为当地的标志建筑。
（2）钢桁架拱在横桥向采用3 片主桁拱肋，造型恢弘大气，整体性好。但各片拱肋的结构受力、系杆水平推力、吊杆力等均不一致，需处理好各构件间的结构尺寸和受力协调关系。设计中一方面采用增大中拱肋、中系梁的截面尺寸，并提高中间排吊杆和系杆规格；
另一方面加大中支点横梁截面，以加强桥面横向刚度，使得桥面系受力和横桥向整体性得以满足要求。
（3）桥面板采用钢- 混凝土组合桥面板，具体为底钢板上现浇150 mm 厚度的混凝土面板，有效提高了桥面板的刚度和耐久性，并减小了混凝土板厚度，降低结构自重。底钢板作为浇筑混凝土的底模板，省去了模板的安装和拆除，施工方便快捷。此外，底钢板上设置开孔板，开孔板兼作底钢板的加劲和组合桥面板的剪力键，与桥面剪力钉一道，加强钢- 混凝土组合桥面板连接整体性。
（4）系梁内设置预应力系杆，平衡拱的推力，进一步减小桥面板的拉应力，提高结构耐久性。此外，在先拱后梁法的施工过程中，设置临时系杆，以平衡体系转换前桁架拱的水平推力。
（5）钢桁架拱桥的杆件应力、桥梁整体稳定、吊杆和系杆应力、组合桥面板受力等是计算分析的关键。通过对相关内容的深入计算，均满足规范要求，桥梁结构安全可靠、耐久适用。
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