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某中承式鋼筋混凝土系桿拱橋主橋設計

2017-06-05　

 　　 1 工程概述

 　　某大橋主橋是橫跨湖嘉申線湖州段航道的一座中承式系桿拱橋，采用“飛鳥式”造型，外觀輕盈、優(yōu)美，并且能夠滿足湖嘉申線Ⅲ級航道通航標準，實現(xiàn)結構造型與功能上的完美統(tǒng)一。

 　　2 主要技術標準

 　　2.1公路等級：全線按三級公路標準建設。

 　　2.2設計行車速度：鎮(zhèn)西大橋計算時速采用20km/h。

 　　2.3橋梁寬度：大橋全寬15.8m，其中行車道寬12m。

 　　2.4設計荷載：公路-Ⅱ級；

 　　2.5設計洪水頻率：1/50；

 　　2.6通航標準：按Ⅲ級航道標準設計，橋下設計最高通航水位2.4m（1985國家高程基準），通航凈孔為60m×7m。

 　　2.7地震動參數(shù)：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.45s。

 　　

 　　3 總體布置

 　　該大橋主橋采用“飛鳥式”系桿拱，跨徑組合為34.5m+105m+34.5m，橋梁寬度15.8m，為柔性系桿剛性拱結構。橋型總體布置見圖1。

 　　3.1拱肋

 　　該大橋主橋主拱為鋼筋混凝土拱肋，按無鉸拱設計，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用懸鏈線線型。拱肋截面為六邊形，其中拱、梁交接處以下至拱腳段采用實心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m；拱、梁交接處以上采用空心截面，截面上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.85m，頂、底板厚0.375m。拱肋在拱、梁交接處設2道鋼筋混凝土橫梁，2.0m×1.4m空心菱形截面，截面壁厚0.2m，在拱頂附近設4道直徑為0.7m鋼管“一字”橫向風撐。

 　　該大橋主橋邊拱為預應力混凝土拱肋，矢跨比F/L=1/4，拱軸線采用圓弧線線型。拱肋截面為六邊形實心截面，上、下底寬1.2m，中間寬1.4m，高1.6m。拱肋跨間中部設一道鋼筋混凝土橫系梁，0.6cm×1.2m矩形斷面；拱肋端部設鋼筋混凝土壓重段。拱肋預應力束采用15φs15.2mm鋼絞線，抗拉標準強度fpk=1860MPa，采用一端張拉，一端埋錨，張拉端張拉控制應力為0.75fpk=1395MPa。

 　　3.2 吊桿

 　　吊桿采用φ7mm鍍鋅鋼絲成品吊桿，外包熱擠聚乙烯防護，吊桿兩端采用冷鑄鐓頭錨固體系分別錨于拱肋及行車道橫梁，拱肋端為張拉端，行車道橫梁端為固定端。全橋共20對吊桿，采用等間距平行垂直布置的平面索形式，間距為4.0m。在吊桿設計中，邊吊桿的設計尤為重要。從已建成的多座同類型橋梁來看，后期出現(xiàn)的問題大多集中在邊吊桿上，因此本次設計對邊吊桿采用了以下措施：①適當加大行車道縱梁尺寸。通過加大縱梁尺寸，提高縱梁剛度，極大的改善了邊吊桿的受力性能。經(jīng)計算，邊吊桿在最不利荷載組合作用下，安全系數(shù)為3.8，且其應力變幅值僅為185MPa。②采用帶球鉸裝置的新型吊桿，使吊桿能適應溫度變化下橋面系縱向位移，從而減小短吊桿因橋面縱向位移而產(chǎn)生的附加力，提高了結構的安全性。

 　　3.3系桿及縱梁

 　　系桿設置在橫橋向兩側(cè)鋼筋混凝土縱梁內(nèi)，為無粘結預應力束即體外索，主橋共計2根系桿。每側(cè)系桿采用6束型號為PES15TU1-27經(jīng)過環(huán)氧噴涂及單根熱擠PE防護的鋼絞線成品索，采用兩端張拉，每束張拉力為2000kN。系桿兩端采用HVMXG.T15-27可換式系桿錨具錨固在邊拱肋端部，方便以后更換。通過調(diào)整系桿索力，用以平衡主邊拱水平推力的差值，從而抵消墩臺水平推力，以適應橋位處軟土地基地質(zhì)條件。

 　　縱梁采用鋼筋混凝土結構，矩形截面，截面寬0.7m，截面高1.2m。縱梁在中跨拱肋與系桿交接處斷開，并設置一道8cm的變形縫。

 　　3.4橫梁及行車道板

 　　行車道橫梁采用預應力混凝土結構。橫梁縱橋向間距按4.0m布置。橫橋向橫梁全寬15.6m，兩吊點間距離14.4m。橫梁橫斷面采用T型截面，截面高度1.2m~1.33m，肋寬0.4m，預制翼板寬2.5m。橫梁預制吊裝后，橫梁與橫梁間通過1.5m寬行車道板現(xiàn)澆段連接。行車道板為鋼筋混凝土結構，板厚22cm。

 　　3.5橋面系

 　　主橋橋面鋪裝采用8cm厚C40鋼筋混凝土調(diào)平層，上鋪7cm厚瀝青混凝土橋面層。行車道兩側(cè)設置鋼筋混凝土墻式護欄，護欄寬50cm。主橋共設4道伸縮縫，主橋兩端及拱、梁交接處各設一道。

 　　3.6下部結構

 　　主橋下部中間兩主墩采用分離式拱座-承臺實體結構。拱座高1.8m，橫橋向作成圓端頭；基礎為群樁基礎，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁，樁頂配鋼筋混凝土承臺，承臺順橋向和橫橋向?qū)捑鶠?0.5m，承臺高2.5m。分離承臺間采用鋼筋混凝土系梁相連，系梁截面寬4m，高 2.5m。主橋下部兩邊墩為交接墩，采用單排3柱樁柱式結構，立柱直徑1.4m，樁基直徑1.5m，均為鉆孔灌注樁。

 　　

 　　4 結構分析

 　　4.1結構靜力分析

 　　4.1.1計算模型及計算參數(shù)

 　　主橋結構縱向分析采用平面桿系有限元橋梁結構計算程序進行計算。計算模型采用主橋上、下部結構（即拱肋-系桿-樁基-土抗力）聯(lián)合作用的整體計算圖式。拱肋取單片拱肋按無鉸拱計算；縱向柔性系桿按體外索計入；樁側(cè)土抗力按“m法”換算成支撐彈簧剛度，樁基礎視為彈性地基中的梁單元結構。計算根據(jù)結構特點全橋共劃分346個單元，其中橋面行車道梁元為134個，支承元為98個。計算圖示見圖4。

 　　根據(jù)施工工序，計算分了8個施工階段和1個使用階段模擬主橋施工過程和成橋的使用狀態(tài)，全面分析了主橋整體受力情況。一期恒載為結構自重；二期恒載為橋面鋪裝及防撞護欄重量。汽車活載按公路Ⅱ級車道荷載考慮，橫向分布系數(shù)按杠桿法計算，汽車活載沖擊系數(shù)采用結構基頻進行計算。溫度效應按整體溫變±25℃計算，并按規(guī)范計入梯度溫度引起的效應。吊桿與主拱肋及行車道縱梁間日照溫差按±15℃計算；縱向系桿與主拱肋及行車道縱梁間日照溫差按±15℃計算。基礎不均勻沉降量按1cm計，采取單墩或隔墩形式，共計5組不均勻沉降。

 　　4.1.2結構靜力主要計算結果

 　　主跨鋼筋混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為18260kN，小于截面承載力設計值28390kN，拱肋強度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)短期效應組合并考慮長期效應影響下，主拱肋截面最大裂縫寬度為0.13mm，滿足規(guī)范要求。

 　　邊跨預應力混凝土拱肋承載能力極限狀態(tài)基本組合最大軸力為17090kN，小于截面承載力設計值26570kN，拱肋強度滿足要求。正常使用極限狀態(tài)下短期效應組合截面最小正應力為1.0MPa，均大于0，滿足全預應力混凝土構件要求；截面最大正應力為15.8MPa，滿足規(guī)范要求。

 　　吊桿正常使用階段彈性組合時的最大拉應力為413MPa，安全系數(shù)為3.8；系桿正常使用階段彈性組合時的最大拉應力為642MPa，安全系數(shù)為2.9，均滿足規(guī)范要求。

 　　4.2 穩(wěn)定分析

 　　對于中承式拱橋，由于沒有拱上聯(lián)合作用，因此拱肋的穩(wěn)定性驗算非常重要。風撐的設計既要保證主拱的橫向穩(wěn)定，又要盡量簡化構造，增加行車視覺上的舒適感，并方便施工。因此本橋在設計時，主拱在橋面以上僅設置4道“一字”風撐，橫向是比較簡潔的。

 　　主橋穩(wěn)定性分析采用空間有限元分析軟件進行計算。計算模型按結構構件的空間布置進行模擬，拱肋、縱梁及橫梁等構件采用空間梁單元，吊桿及系桿采用拉索單元。對于行車道板，將其剛度與質(zhì)量等效分配到縱梁及橫梁上。結構穩(wěn)定分析計算結果表明成橋狀態(tài)主橋的結構穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求。

 　　

 　　5 結束語

 　　該大橋主橋采用“飛鳥式”系桿拱，設計新穎，視線通透，外觀輕盈、優(yōu)美。主拱肋采用鋼筋混凝土結構，與鋼管混凝土拱肋比，造價低，施工工藝簡單，同時省去了實際使用中鋼管拱肋的維護問題，真正的實現(xiàn)了美觀與適用、經(jīng)濟的完美統(tǒng)一。最后，希望本橋的設計與建造能為同類型橋梁提供寶貴的經(jīng)驗。

 　　

 　　參考文獻：

 　　[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

 　　[2]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

 　　[3]李國豪.橋梁結構穩(wěn)定與震動[M].北京：人民交通出版社，2001.

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