异形钢桁架拱桥结构设计及计算分析

黄科榜

（上海瑞桥土木工程咨询有限公司，上海市 200092）

异形钢桁架拱桥结构设计及计算分析

黄科榜

（上海瑞桥土木工程咨询有限公司，上海市 200092）

某三跨连续中承式钢桁拱桥，跨径布置为22 m+56 m+22 m。主桥拱肋是由中拱肋、边拱肋、副拱肋及腹杆组成的桁架结构。主桥跨中设置系梁，主梁由桥面系及横梁组成，桥面系采用正交异性钢桥面，主梁、系梁及拱肋固结连接。桥梁共设置13对吊杆，扇形布置，吊杆锚固采用耳板的结构形式。主要介绍该桥的结构构造设计及受力计算分析，该桥造型新颖优美，受力及构造较为复杂，可为类似工程提供一定的借鉴。

连续中承式钢桁架拱桥；系梁；正交异性钢桥面；吊杆锚固；结构设计；计算分析

1 工程概况

本桥位于某市新区核心地带，连接河道两侧的重要区域，是吸引人流，汇聚人气的中间地带，经过多轮方案遴选，最终确定三跨连续中承式钢桁拱桥为实施方案，桥梁整体效果见图1。

图1 桥梁整体效果图

桥梁以“科技之风”为设计理念，强调智慧与创新，与科技引智的桥梁意向相统一。桥梁规模虽然不大，但造型新颖，精致而富有创意。

2 总体布置

桥位处规划河道开口宽度约为82.5 m，其中主河道底宽50 m。桥梁为三跨连续中承式钢桁拱桥，跨径布置为22 m+56 m+22 m=100 m，道路标准宽度46 m。

桥梁总体布置见图2。

图2 桥梁总体布置图（单位：m）

桥梁横断面自北向南布置依次为：1.8 m（拱索区）+ 3 m（人行道）+18.5 m（机动车道）+1.5 m（分隔栏）+18 m（机动车道）+5 m（人行道）+1.8 m（拱索区）=49.6 m。

3 结构设计

钢拱肋是由中拱肋、边拱肋、副拱肋及腹杆组成的桁架结构；桥梁跨中设置系梁，系梁与拱肋进行固结；主梁由桥面系及横梁组成，主梁、系梁及拱肋固结连接，中支点及边支点下均设置支座。钢拱总体布置见图3。

图3 钢拱总体布置图（单位：mm）

3.1 钢拱肋设计

钢拱肋是由中拱肋、边拱肋、副拱肋及腹杆组成的桁架结构。钢结构材料采用Q345D。

主桥拱肋内倾10°，拱肋包括中拱肋、边拱肋和副拱肋，中拱肋与副拱肋拱轴线采用样条曲线，边拱肋采用圆曲线。在拱肋平面内，中拱肋拱轴线矢高15.5 m，桥面以上拱肋高11.05 m，中拱跨径56.0 m；边拱肋拱轴线矢高3.4 m，跨径22.0 m，副拱根据控制点采用样条曲线进行拟合。

中拱肋截面采用箱形截面，截面高度1.1～1.5 m，宽度1.5 m，板厚18～24 mm，局部加厚至32 mm。副拱采用箱形截面，截面高度1.0 m，宽度1.5 m，板厚18 mm，局部加厚至24 mm、28 mm。中拱肋与副拱肋在拱顶形成一个整体箱形断面，截面高度2.8～1.6 m，板厚18 mm，宽度1.5 m。

边拱肋采用箱形截面，拱脚端拱肋截面高度1.5 m，宽度1.5 m，板厚24 mm；拱顶端截面高度1.6 m，宽度1.5 m；边拱肋与副拱肋在桥梁端部形成整体箱形断面，截面高度1.6～2.86 m，宽度1.5 m，板厚18 mm。

边、中拱肋在桥墩处采用箱型腹杆连接，高1.5 m，宽0.6 m，板厚28 mm；其他腹杆均采用工字型截面，高1.5 m，翼缘宽03～0.4 m，板厚18～24 mm。

中支点处拱脚节点构造见图4，通过复杂的隔板及加劲设计，保证节点传力的连续性及有效性。

图4 中支点拱脚节点细部图（单位：mm）

3.2 桥面系及横梁

桥面系采用正交异性钢桥面板，桥面板板厚16 mm，采用U型加劲肋，板厚8 mm。跨中桥面荷载由横梁传递至系梁上，跨中横梁间距3.0 m，墩顶附近横梁间距2.5 m，横梁采用工字型截面，截面高度由1.6 m渐变至2.6 m，边跨横梁在横梁与拱肋连接处局部加高，横梁下翼缘尺寸为800 mm× 30 mm，腹板厚16 mm。

横梁间共设置三道小纵梁，截面采用工字型，高2.0 m，下翼缘采用1 000 mm×30 mm，腹板厚16 mm。图5为中支点处的横断面布置图。

图4 中支点拱脚节点细部图（单位：mm）

主梁端横梁内设置压重混凝土，压重材料采用素混凝土。压重混凝土需分批浇筑，第一批底板处厚度为30 cm，待强度达到后浇筑剩余部分。

3.3 吊杆及锚固结构设计

主桥共设置13对吊杆，成扇形布置，系梁上间距为3.0 m，拱肋上间距2.0 m。吊杆采用规格为PES5-61的镀锌平行钢丝PE双护层拉索，最大张拉力为600 kN，运营期间荷载标准组合下最大拉力为806 kN，拉索设置180 mm横向偏心。

拱肋与系梁内吊杆均为锚固端，在吊杆中间进行张拉。锚固结构采用耳板的结构形式，锚固结构的传力路径为：吊杆—中间竖向耳板—拱肋T型加劲肋—横隔板—拱肋腹板。系梁处吊杆锚固结构也采用耳板的结构形式，锚固结构的传力路径为：吊杆—中间竖向耳板—横隔板—系梁腹板。

3.4 下部结构设计

桥台为轻型桥台，桥台宽46 m，台背厚1.94 m，桥台下承台高1.5 m，桩基直径1.2 m，共21根桩，桩长35 m。

中墩（拱座）采用圆形变截面拱座，拱座高4.6 m，采用C40混凝土，拱座下设置矩形承台，承台高2.0 m，长8.6 m，宽7.8 m，桩径1.2 m，共8根桩，桩长35 m。

4 结构计算

结构计算采用Midas/Civil 2015软件，拱肋、横梁、纵梁及腹杆采用梁单元进行模拟，吊杆采用只受拉桁架单元进行模拟，全桥共1 241个单元。有限元模型见图6。

图6 结构计算模型图

4.1 主拱肋计算

基本组合下中、边拱肋最大拉应力为105.0 MPa，最大压应力为-163.0 MPa。主拱肋板件考虑受压局部稳定折减系数为 0.817，容许压应力为0.817×270=220 MPa＞163 MPa，满足规范要求。

主拱肋最大剪应力为40.6 MPa，小于容许剪应力155 MPa，满足规范要求。

4.2 副拱肋计算

基本组合下副拱肋最大拉应力为89.1 MPa，最大压应力为130.3 MPa。副肋板件考虑受压局部稳定折减系数为0.817，容许压应力为0.817× 270=220 MPa＞130.3 MPa，满足规范要求。

副拱肋最大剪应力为32.2 MPa，小于容许剪应力155 MPa，满足规范要求。

4.3 拱肋腹杆计算

基本组合下箱型腹杆最大拉应力为139.5 MPa，最大压应力为-160.1 MPa。考虑受压局部稳定折减系数为0.787，整体稳定折减系数为0.957，容许压应力为0.787×0.957×270=203 MPa＞160.1 MPa，满足规范要求。

基本组合下工字型腹杆最大压应力为-160.1MPa。考虑受压局部稳定折减系数为0.807，整体稳定折减系数为0.882，容许压应力为0.807×0.882× 270=192.2 MPa＞160.1 MPa，满足规范要求。

4.4 系梁、横梁、纵梁计算

系梁：基本组合下系梁最大拉应力为91.8 MPa，最大压应力为-28.5 MPa，小于 [σ]=270 MPa，满足规范要求。

系梁段横梁：基本组合下系梁段横梁最大拉应力为136.4 MPa，最大压应力为-150.1 MPa，小于[σ]=270 MPa，满足规范要求。在基本组合下系梁段横梁最大剪应力为51.7 MPa，小于 [σ]=155 MPa，满足规范要求。

纵梁应力：在基本组合下出现126.0 MPa拉应力，-114.5 MPa的压应力，小于 [σ]=270 MPa，满足规范要求。

4.5 吊杆计算

运营阶段标准组合工况吊杆最大应力σ=662 MPa，安全系数k=fpk/σ=2.52＞2.5，满足规范要求。

疲劳荷载模型I吊杆应力幅ΔσP=70.9 MPa，根据《公路钢结构桥梁设计规范》第13.2.2节，平行钢丝束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=70.9 MPa≤ks×ΔσD/γMf=1.0×137/1.35=101 MPa，满足规范要求。

4.6 刚度计算

主拱的活载最大竖向位移为8.4 mm；横梁跨中活载最大竖向位移35.3 mm，最小竖向位移-0.2 mm，活载计算挠度f=35.3+0.2=35.7 mm＜L/500=92 mm，满足规范要求，同时横梁按恒载+0.5活载的变形值反向设置预拱度。

4.7 整体稳定计算

主桥在恒载、活载和风荷载作用下，以主拱的侧向失稳为主要的整体失稳模态，最小的稳定系数为95.2，满足设计要求。图7为第一阶失稳模态拱肋侧倾。

4.8 吊杆耳板计算

基本组合下吊杆最大内力为966 kN，耳板厚30 mm，贴板厚25 mm，耳板承压应力σc=120.75 MPa小于容许承压应力355 MPa；计算的破坏拉应力为161 MPa，小于容许应力270 MPa，满足要求。

图7 一阶失稳模态——拱肋侧向失稳

5 施工方法[1,2]

根据桥位处河床现状为干枯河道的特点，施工方案的制定原则为：充分利用现状河床干枯的条件，采用搭设少支架进行施工的方案，结合该桥的关键节点结构特点并考虑运输及吊装能力，适当控制构件的规模、重量。施工主要流程如下：

第一步：施工单位进场，四通一平；填筑施工便道，桥墩处筑岛，开始钻孔桩施工；承台、桥墩施工；基础施工同时工厂钢结构节段加工。

第二步：搭设临时支墩；设置临时支座安装拱脚节段及主墩横梁，见图8。

图8 搭设临时支墩

第三步：运输钢拱、横梁、系梁节段到现场，在拼装场地上进行预拼装；分节段安装拱肋、系梁及横梁节段，见图9。

图9 拼装场地上进行预拼装

第四步：逐段安装拱肋至合拢，见图10。

图10 逐段安装拱肋至合拢

第五步：逐段施工钢桥面板；初张拉吊杆到指定索力，见图11。

图11 逐段施工钢桥面板

第六步：拆除支架；施工人行道、桥面铺装、照明等附属设施；视索力误差而定是否二次调索到成桥索力；荷载试验，验收、通车。

6 结语

本文以某异形钢桁架拱桥为工程背景，详细介绍了该桥的总体布置、结构构造设计、总体与局部计算分析、施工方法等方面的内容。该桥造型新颖优美，受力及构造较为复杂，可为类似工程提供一定的借鉴。

[1]吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2009.

[2]孙海涛.大跨度钢桁架拱桥关键问题研究[D].上海:同济大学, 2007.

U448.22

B

1009-7716（2017）09-0090-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.026

2017-05-15

黄科榜（1989-），男，广西贵港人，助理工程师，从事桥梁设计工作。