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          大跨度连续梁一提篮拱组合体系桥设计
          2010-08-23 
          1 前 言

            梁拱组合体系,顾名思义,是梁和拱的组合,二者协作共同承担跨径范围内的荷载。自上世纪90年代以来,梁拱组合体系桥在国内得到了迅速发展,数量大幅增长,跨径不断突破,造型也不断推陈出新。

            杭州市丽水路跨杭钢河大桥通航孔跨度约需130 m,采用梁拱组合体系桥是较合理的选择之一。经过不同形式桥梁方案综合比选,选定连续梁一提篮拱组合体系桥方案,不仅较好满足了建设工期、施工条件、使用性能和耐久性的要求,并且有良好的景观效果,为梁拱组合体系桥的发展增添了新的形式。

            2 建设条件

            丽水路道路平面线形基本平行于京杭大运河,道路紧贴京杭大运河驳岸,大桥位于杭钢河与京杭大运河的交汇口。杭钢河水位较平稳,桥位处常水位水深约4m,通航等级Ⅵ级。场地地貌属滨海湖沼相沉积平原,持力层微风化凝灰岩层埋深约55 m 。

            大桥按城市主干道标准设计,计算行车速度8Okm/h,双向4车道,桥面还布置有中央隔离带、机动车与非机动车隔离带、非机动车道、人行道等,桥面全宽37 m。汽车荷载按城一A级设计,人群荷载按《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ 77-98)规定取值。

            3 方案比选

            主跨跨度根据通航及规划要求确定采用130m,桥型比选遵循以下原则:①桥位附近将规划作为运河游船停靠码头,要求河道内不设桥墩,并确保桥下净空高度5.5 m;② 丽水路串连沿京杭运河的货物码头,重载货运车辆较多,因此要求桥梁有较好的强度和刚度;③ 杭州段京杭大运河将开发运河观光旅游,杭钢河大桥正处于运河一线景观带,因此要求桥梁设计体现美观性。

            连续梁桥方案技术成熟、整体性好、行车舒适,但梁高较大,其根部梁高达7.5 m,不符合桥下净空要求,同时,桥梁整体造型较普通,不符合美观性的要求,故不推荐连续梁桥方案。

            部分斜拉桥方案基本符合桥型比选原则,但是邻近本桥已经建设一座,为避免桥型雷同,因此也不推荐。

            经过综合比选,认为梁拱组合体系桥是可行的桥型方案。梁拱组合桥根据拱肋与主梁截面的刚度比,可分为刚拱柔梁、刚拱刚梁以及柔拱刚梁3种体系。刚拱柔梁体系由于不设纵向加劲梁,因此桥梁整体刚度较差,尤其是跨径大、桥面宽的时候,其整体稳定性和动力特性较差,不适合重载交通的需要。刚拱刚梁一般采用简支的形式,主梁一般为纵横梁梁格体系,桥面采用预制钢筋混凝土板铺在横梁上,然后现浇桥面铺装联合成整体。此种桥型稳定性、动力特性较刚拱柔梁体系有较大改善,故得到较多应用,缺点是纵横梁梁格体系外露,外观较为凌乱。

            鉴于以上比较,结合杭钢河大桥设计原则,提出一种柔拱刚梁的方案——连续梁一提篮拱组合体系桥方案,桥型布置见图2。

            连续梁一提篮拱组合体系桥是一种新颖的梁拱组合结构形式,结构内力由连续梁和提篮拱联合分担。此种桥型兼具2种桥型的优点:连续梁桥刚度大,整体性好,行车舒适;提篮拱桥造型美观,稳定性好。同时可避免2种桥型各自的缺点:梁桥主梁高度大,体型笨重;普通提篮拱桥动力特性较差。

            4 连续梁一提篮拱组合体系桥的特点与结构设计

            4.1 加劲梁设计

            变高度箱梁作为加劲梁用于连续梁拱组合桥已有较多的工程实例,无论从结构受力还是桥梁造型来看都是合适的。加劲梁跨中梁高受吊点横梁横向受力的控制,与桥面宽度,吊杆顺桥向、横桥向间距有关;加劲梁中支点梁高确定弹性较大,取决于设计者对拱肋参与全桥受力程度的定位,如果中支点梁高设计接近中跨跨度的1/18左右,则梁拱组合体系桥退化为连续梁桥,拱肋退化为景观装饰品。

            杭钢河大桥加劲梁采用单箱五室大悬臂变高度箱形截面,跨中梁高2.5 m,高跨比1/52;中支点梁高4 m,高跨比1/32.5,边支点梁高2 m,梁底曲线按二次抛物线变化。箱梁顶宽37 m,单侧悬臂长4.8 m,箱梁底宽27.4 m。加劲梁中跨布置横隔梁,间距与吊杆位置一一对应,横隔梁厚35 cm。加劲梁边跨属于配跨,在边支点不出现负反力的前提下,其跨径宜尽量缩短以减小预应力配置难度,根据试算,其边跨与中跨的比例宜控制在0.35~0.40,边跨不设置横隔梁,其构造类似于常规梁桥。

            4.2 主拱设计

            主拱截面形式与拱肋的受力、稳定以及施工方法密切相关。柔拱刚梁结构体系中,主拱内力以轴向受压为主,各个控制截面弯矩都很小,而受压是混凝土结构的强项,因此主拱采用钢管混凝土结构是合适的;提篮拱往往设置多道风撑,其结构稳定性凭此可得到保证,因此,拱肋截面形状变化对桥梁整体稳定影响不大,考虑到尽量减少拱肋的横向宽度少占桥面空间,主拱截面宜设计成高度大于宽度的形式。

            杭钢河大桥拱肋布置在机动车与非机动车分隔带内,拱脚固定在中横梁上,拱肋计算跨径130 m,拱轴线采用二次抛物线,面内矢跨比为1/4.75,内倾12。形成提篮状。

            大桥拱肋采用钢管混凝土圆端形截面,宽1.7m,高2.55 m。钢管分5段进行现场拼接,其中拱脚段钢管厚25 mm,其余段钢管厚22 mm。钢管内部采用环形钢板加劲,间距1 m,并布置剪力键加强钢管和混凝土的结合力,钢管内灌C4O自密实混凝土。主拱截面示意见图3。

            4.3 吊杆设计

            吊杆采用GJ15—27钢绞线整束挤压式拉索体系,每根吊杆由27根声φs15.2 mm光面无粘结钢绞线缠包后热挤HDPE构成,吊杆安全系数3.5。全桥共19对吊杆,吊杆在梁上水平间距为5.8 m,上端锚固在拱肋顶部,下端锚固于梁底,采用下端张拉。吊杆锚头构造设置在梁和拱肋的外部,以方便吊杆检查和更换。由于加劲梁刚度较大,经过计算,更换任意1根吊杆时,对主梁应力的影响最大不超过2.5 MPa,故对将来的换索带来了极大的方便。

            4.4 风撑设计

            传统风撑设计往往仅从结构分析出发设计成“一”字撑或K 撑的形式,对桥梁整体造型考虑较少。杭钢河大桥风撑系统由风撑骨架和造型部分组成,其中风撑骨架为受力系统,起保持拱肋整体稳定的作用,采用钢箱截面“一”字撑;造型部分由8 mm钢板和必要的加劲件组成,计算时不考虑此部分对整体稳定的贡献。风撑骨架和造型钢板通过焊接形成风撑整体造型,浑然一体,从桥面向上看,为4个椭圆挖空面,造型别具一格。风撑布置平面投影见图4。

            5 结构计算分析

            5.1 静动力性能分析

            就静力性能而言,连续梁一提篮拱组合体系桥兼具连续梁桥和提篮拱桥的优点,梁、拱的内力分配具有一定的灵活性。具体设计计算时,可在保证主拱应力有一定安全储备的情况下,尽量提高吊杆张拉力,然后在此基础上配置加劲梁预应力钢柬,此种方法可确保组合结构发挥出各自的承载潜力。

            杭钢河大桥静力计算结果表明,拱肋内力以轴力为主,弯矩较小,拱脚轴力3.74×1O kN,弯矩1.O5×10 kN ·m,属于典型的小偏心压弯构件,这是非常适合钢管混凝土结构的内力组合形式,可最大限度确保钢一混凝土结构联合受力,符合平截面假定。加劲梁按预应力混凝土A类构件设计计算,中跨配束以直线束为主,边跨配束规律接近常规梁桥。使用阶段边吊杆应力幅53.4 MPa,中吊杆应力幅57.9 MPa。

            动力计算采用大型有限元程序MIDAS/Civil,对全桥结构进行离散,加劲梁、拱肋、风撑均采用空间梁单元,吊杆采用桁架单元,桥面铺装和桥面系仅考虑质量,不考虑刚度,计算结果见表1。

            由表1可见:①桥面的振型明显滞后于拱肋,说明加劲梁的刚度远大于拱肋;②第1、第2振型均为拱肋面外挠曲振动,表明拱肋的面外挠曲刚度小于竖向挠曲刚度;③ 根据文献[1]及相关资料,系杆拱桥的桥面1阶振动频率一般分布在1.0左右,本桥桥面振动频率较高,说明刚度较大,动力特性较常规系杆拱桥优越。

            5.2 整体屈曲分析

            屈曲分析计算主要考虑拱肋的稳定性。将拱肋看作无初始缺陷的弹性结构,则在逐渐加载过程中,拱肋的平衡形式将出现分支,使原有的平衡状态失去稳定而转向新的平衡状态,此时,拱肋即出现屈曲失稳。尽管屈曲分析主要适用于分析理想完善结构的稳定性,但由于概念明确,求解方便,因而目前仍被广泛用于判断桥梁结构的稳定性,一般要求临界荷载系数不小于4。

            杭钢河大桥屈曲分析仍采用有限元程序MI—DAS/Civil建立空间梁单元模型,计算得到的前4阶临界荷载系数见表2。

            常规系杆拱桥1阶失稳模态为面外侧向对称失稳,本桥由于拱肋内倾l2°,因此具有较常规系杆拱桥大得多的侧倾稳定性【2】 ,故先出现面外反对称失稳模态;1阶I临界系数较大,说明本桥整体稳定性良好。

            6 施工方案

            根据柔拱刚梁的结构特点,连续梁一提篮拱组合体系桥整体上一般采用“先梁后拱”的施工方案。加劲梁施工有2种思路,一是全跨支架法分段现浇;二是利用加劲梁刚度较大的特点,主梁根部附近节段采用挂篮施工,跨中部分和边跨端部采用支架法现浇合龙。具体施工方法应根据现场施工条件选择,并在设计中有针对性的考虑。

            杭钢河大桥边跨均在岸上,且现状河道尚未拓宽到规划宽度,具备支架施工条件,因此加劲梁施工采用临时墩+贝雷支架法分段现浇施工的方式,并用已建成的加劲梁桥面搭设支架,再用卷扬机分段提升、拼装焊接钢拱肋、风撑,然后灌注拱肋内部自密实混凝土,拱肋落架,第1次张拉吊杆,加劲梁落架。最后施工桥面系,并张拉吊杆到设计张拉力,作通车准备。

            7 结 语

            预应力混凝土连续梁一提篮拱组合体系桥作为一种新的梁拱组合形式,首次应用在国内大跨度桥梁结构上。该桥型具有优良的静动力性能,有广泛的适用性;全桥整体性良好,耐久性较好,吊杆更换方便;施工较为灵活、方便;同时,桥梁造型优美流畅。通过设计理论和施工工艺的不断完善,有望成为80~200 m跨径桥梁方案的有力竞争者。目前,杭钢河大桥已进入实施阶段,预计2010年6月竣工通车。

            参 考 文 献:

            【1】陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社,1999.

            [2]张庆明,周 罡.大跨径提篮拱的拱肋侧倾角对稳定性影响的研究[J].桥梁建设,2007,(4):32—34.
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