合肥市郎溪路南淝河特大桥总体设计

何晓晖，王 健，陈宜言

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

1 概 述

合肥市郎溪路南淝河大桥是合肥市郎溪路（裕溪路—包河大道）建设范围中最重要的关键节点工程，经多次方案的技术、经济比选，桥梁结构确定采用特大跨径波形钢腹板预应力混凝土连续梁桥，下部结构采用等截面矩形箱形墩，钻孔灌注桩群桩基础。

1.1 技术标准

（1）道路等级：城市快速路。

（2）荷载等级：城市-A级，人群荷载3.5 kN/m2。（3）设计行车速度：60 km/h。

（4）地震作用：地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

（5）通航等级：Ⅲ级航道。

（6）设计洪水频率：1/100。

（7）环境类别：Ⅱ类。

（8）桥梁设计基准期：100 a。（9）设计安全等级：一级。

1.2 桥址自然条件

拟建场地内地势稍有起伏，整体上呈西南高、东北低，地面标高11～30m。工程区域为冲积平原，微地貌为河漫滩、阶地地貌。地质构造上，合肥地区属于下扬子海槽和淮阳古陆边缘地带，属于中朝准地台江淮台隆。场地未发现活动断裂及其他影响工程稳定性的地质构造。场地上部地层为压实填土、杂填土、素填土，下伏基岩为第三系土金山组泥质砂岩，局部夹泥岩、砂质泥岩、砂岩。

1.3 桥梁结构主要材料

（1）上部主梁为C60混凝土；墩身为C40混凝土；承台为C40混凝土；基桩为C35水下混凝土。

（2）主要钢材：波形钢腹板及上、下翼缘板采用符合 《耐候结构钢》（GB/T 4171—2008）的Q355NH D等级耐候钢材。

（3）预应力钢材：体内束采用高强度、低松弛的桥梁成品预应力钢绞线束，fpk=1 860MPa；体外束采用环氧涂层预应力钢铰线，fpk＝1 860 MPa。

2 桥梁结构设计

2.1 总体设计

根据该项目交通功能的需求，设置中幅主线桥承担过境交通，设置左、右幅辅道桥承担沟通南淝河两岸城市交通。

该桥平面处于半径为1 500m的平曲线上，为航道布置和施工方便考虑，三幅桥按照主跨径相等、连接墩中心线在同一条法线上的原则布置。桥梁跨径布置：左幅为92.313m+153m+92.494m；中间幅为 95 m+153 m+95 m；右幅为 97.687 m+153 m+97.506m（见图 1）。

如图2所示，桥梁总宽分别如下：

中间幅：0.5m（护栏）+12m（行车道）+1m（分隔带）+12m（行车道）+0.5m（护栏）=26m。

左幅：7m（人行道、非机动车道）+11.5m（行车道）+0.5m（防撞护栏）=19m。

图1 桥型总体布置图（单位：cm）

图2 桥梁典型横断面图（单位：cm）

右幅：0.5m（防撞护栏）+11.5m（行车道）+7m（人行道、非机动车道）=19m。

三幅桥间距均为1m。

主墩墩身采用箱形空心墩，顺桥向桥墩宽均为4.0m，中间幅桥墩横桥向宽21.2m，边幅桥墩横桥向宽14.2m，壁厚0.75m，桥墩基础采用群桩基础，桩径2.0m，均按摩擦桩设计，承台厚度为4.0m。

2.2 主梁结构设计

上部结构为三跨波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁体系。中间幅主桥箱梁采用单箱三室横断面，左幅和右幅主桥箱梁采用单箱双室横断面。根部梁高8.5m，高跨比1/18；跨中及边墩处梁高3.6m，高跨比1/42.5，梁高按1.8次抛物线变化。

左幅和右幅波形钢腹板厚度为12～24 mm，中间幅箱梁波形钢腹板厚为12～26 mm，波形采用1600型。波形钢板与混凝土顶板用Tw in-PBL连接，与混凝土底板的连接采用角钢剪力键连接（见图3）。钢腹板节段间纵向连接采用搭接贴角焊接连接的方式，使用螺栓临时固结，且为免疲劳损坏波形钢板，竖向焊缝与水平焊缝相交处应按设计要求设过焊孔。为提高波形钢腹板箱梁的抗扭刚度，于箱梁中每隔一定距离设置有横隔。

主梁采用全预应力混凝土结构，梁体内采用纵、横、竖（仅0号段布置）三向预应力，纵向预应力束又分体内、体外预应力两种钢束。

2.3 中幅桥超宽箱梁结构分析模型

图3 Twin-PBL连接和角钢剪力键连接

该桥为超宽波形钢腹板预应力混凝土箱梁结构，必须使用通用有限元程序对桥梁结构建立精确的空间分析模型，对结构的施工行为和成桥运营阶段进行受力性能进行计算，验证结构的刚度、强度及稳定性。

2.3.1 混凝土顶底板、横梁、横隔板及内衬混凝土单元

采用ANSYS程序单元库中的八节点六面体单元——S O L ID45单元。S O L ID45单元每个节点均有三个平动自由度（U X、U Y、U Z）；S O L ID45单元可以考虑混凝土这类非线性材料的很多非线性性质，可以模拟混凝土的开裂、压碎、塑性变形、徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变。

2.3.2 波形钢腹板单元

采用ANSYS程序单元库中的四节点壳单元——SHELL63单元。SHELL63既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载。该单元每个节点具有六个自由度：三个平动自由度（UX、UY、UZ） 和三个转动自由度（ROTX、R O T Y、R O T Z）。SHELL63单元可以考虑塑性变形、徐变、大变形和大应变特性等。

2.3.3 预应力筋单元

预应力筋采用L I N K8单元。L I N K8单元有着广泛工程应用的杆单元，比如可以用来模拟桁架、连杆、弹簧等。这种三维杆单元是轴向的拉压单元，不承受弯矩；每个节点具有三个自由度——沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。

2.3.4 连接单元

开孔板连接件及焊钉连接件采用CO M BI N14单元。CO M BI N14具有一维、二维或三维应用中的轴向或扭转性能。轴向的弹簧-阻尼器选项是一维的拉伸或压缩单元。它的每个节点具有三个自由度——X、Y、Z的轴向移动，不能考虑弯曲或轴向力。

2.3.5 材料特性及实常数设置

箱梁顶、底板、横梁、横隔板及内衬混凝土采用C60混凝土。波形钢腹板、钢上下翼缘均采用Q345。体内预应力筋采用C P S270级 øj15.24低松弛钢绞线，公称直径 15.2 mm（7ø5.0），公称面积140.0mm2。体内束、体外束张拉控制应力分别为0.75Ryb=1 395MPa，0.60Ryb=1 116MPa。

开孔板连接件开椭圆形孔（长轴70mm，短轴50mm），根据推出试验所得剪切作用力与相对滑移量的关系曲线，将滑移量0.2mm割线斜率设为连接件抗剪刚度Ks。

2.3.6 边界条件

在桥梁运营阶段，一个中支座处采用固定支座，其他支座均采用活动支座。各自由度约束情况见表1。

表1 有限元模型约束条件

2.3.7 荷载作用

考虑的荷载种类如下：结构一期恒载、二期恒载、预应力作用、汽车荷载、温度作用、混凝土收缩作用、支座沉降作用等。各荷载取值依据相关规范确定。

2.3.8 计算分析模型

首先确定波形钢腹板组合梁桥各构件的单元类型和材料性质，包括混凝土顶底板、横梁、横隔板和内衬混凝土等混凝土构件，波形钢腹板、钢上下翼缘等钢构件，体内束、体外束等预应力构件，以及开孔板连接件、焊钉连接件等，然后建立全桥板壳-实体有限元分析模型（见图4）、局部轮载有限元分析模型以及施工阶段有限元分析模型（见图5）。步骤如下：

图4 全桥有限元模型

图5 局部有限元模型

（1）选择所需要的各种单元类型，并设置各单元类型的选项。

（2）确定各材料所对应的材料性质。

（3）将线性弹簧单元对应的实常数输入。

（4）综合采用“自顶向下”和“自底向上”的建模方法建立有限元模型；体内预应力筋在相应节点处与混凝土顶底板进行耦合，体外预应力筋在横梁锚固点及横隔板转向块处与混凝土在横向和竖向耦合，但纵桥向体外预应力筋无约束，符合实际情况；波形钢腹板及其钢上下翼缘与混凝土之间采用弹簧单元模拟连接关系。

2.4 中幅桥超宽箱梁结构专项研究

针对结构自身特性，该工程开展了如下专项研究：

（1）超宽箱梁成桥运营阶段横向应力及局部构件应力分析。

（2）超宽箱梁横隔板间距合理布置研究。（3）超宽箱梁活载偏载效应研究。

2.4.1 超宽箱梁成桥运营阶段横向应力及局部构件应力分析

研究对象桥采用大悬臂宽箱波形腹板组合梁断面，在局部轮载作用下，桥面板横向受力较为复杂，且波形腹板与顶底板连接处承受角隅弯矩，局部受力较为不利。通过计算表明：

（1）对桥面板布置 B M15-2、B M15-3、B M15-4、B M15-5和B M15-6五种不同数量横向预应力筋的情况下，分别进行了横向边支点负弯矩最不利和横向中跨跨中正弯矩最不利两种工况下的计算分析。各工况下顶板横向正应力见表2。以横向边支点负弯矩最不利工况为例，可以看出随着预应力束数量的增加，横向中支点和边支点处拉应力和压应力均逐渐增大，横向中跨跨中和边跨跨中处压应力逐渐增大，综合考虑横向支点及跨中处受力，桥面板横向预应力钢束按B M15-4布置是合理的。

（2）在横向边支点负弯矩最不利工况和横向中跨跨中正弯矩最不利工况下，对结构进行稳定性能分析。计算表明，在上述两种最不利工况下，结构前五阶屈曲稳定特征值均大于4，满足稳定性要求。

（3）在中支点剪力最大工况和边支点剪力最大工况下，对锚固横梁的纵向应力、横向应力、主拉应力以及主压应力进行分析。分析结果见表3，结果表明除锚点区域应力较大外，其余区域应力均较小，按规范配筋即可。

（4）在中支点剪力最大工况和边支点剪力最大工况下，对内衬混凝土的纵向应力、横向应力、主拉应力以及主压应力进行分析。分析结果见表4，结果表明内衬混凝土应力沿斜对角波浪形分布，除内衬自由端主拉应力较大外，其他应力均较小。建议在内衬自由端进行刚度过渡处理，内衬混凝土适当配筋即可满足应力要求。

2.4.2 超宽箱梁横隔板间距合理布置研究

分别采用5m、10m、15m、20m和25m五种横隔板布置方案研究横隔板合理间距。通过波形钢腹板组合箱梁桥横隔板不同布置方案的有限元分析，可以得出以下结论：

（1）按规范偏心车道加载时，横隔板数量对桥梁竖向挠度影响较小，说明横隔板数量对结构的竖向刚度影响不明显。

表3 锚固横梁受力分析 kN

表4 内衬混凝土受力分析 kN

（2）按规范偏心车道加载时，由于横隔板主要限制畸变应力，而畸变应力在总应力中所占比例很小，因而五种方案的总的正应力没有显著变化。

（3）按集中力加载时，随横隔板数量的减少，畸变应力占总的弯曲正应力的比值逐渐增加，其比值均小于10%，一般要求横隔板间距在10～25m。故横隔板间距不控制其设计。

2.4.3 超宽箱梁桥面板有效宽度研究

通过波形腹板组合箱梁桥的实体有限元模型，计算各关键截面处混凝土板在恒载和活载作用下纵向正应力的横向分布，以获得其跨中和支点等截面的有效宽度，并与桥梁设计规范规定进行了比较分析。计算结果表明：

（1）应力方面。各荷载工况下，顶板纵桥向应力沿横桥向分布波动幅度较底板大，边支点和中支点处断面的顶底板纵桥向正应力沿横桥向分布的均有一定波动，由于活载占总荷载的比例相对较小，活载作用下，各截面应力波动幅度均小于恒载作用下的截面应力波动幅度。

表2 不同横向预应力束布置下顶板横向正应力 MPa

（2）恒载作用下，混凝土顶板的有效宽度计算系数在各支点处为 0.31～0.36，边跨跨中为0.66～0.77，中跨跨中为 0.57～0.86。混凝土底板的有效宽度计算系数在边支点处为0.78，边跨跨中为0.89～0.92，中支点为 0.95，中跨跨中为 0.95～0.98。总体上，顶板有效宽度有限元计算值较《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）规定减小约30%；底板边跨有效宽度有限元计算值较《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）规定减小约6%，中跨有效宽度有限元计算值较《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）规定增大约4%。

（3）活载作用下，顶板1#腹板两侧翼缘有效宽度较2#腹板两侧翼缘有效宽度小，底板各道腹板两侧翼缘有效宽度十分接近。

3 结 语

由于交通功能的需要，该桥总宽度为66m，分为三幅桥设计和建设，成为目前国内同类梁桥体系中箱梁断面最宽的结构，设计和施工中采用一系列新技术和新工艺，具体特点主要如下：

（1）针对城市桥梁宽度较大的需求，用多箱室波形钢腹板预应力混凝土箱梁取代普通预应力混凝土箱梁，省去传统的混凝土腹板构造，显著减轻了桥梁上部节段自重，同时利用波形钢腹板的褶皱效应提高了预应力的效率，简化了施工步骤。

（2）为降低桥梁全寿命周期内的养护费用和减少现场养护操作，全桥波形钢腹板均采用Q355NH D等级耐候钢材，耐大气腐蚀能力强，简化了以往波形钢腹板桥梁的涂装方案。依托耐候钢材的工程应用，开发了配套的焊接工艺和验收评定标准。

（3）该桥采用大跨度悬臂浇筑施工方案，中间幅和边幅箱室宽度分别为26m、19m，悬臂浇筑节段很宽，在悬臂浇筑施工中较为罕见，为施工技术上的一个难点。

该工程采用了新型桥梁用成品钢绞线束，根据设计长度全部在工厂编束、定长下料，工地现场直接整束牵引安装。可保证所有整束钢绞线在张拉过程中同步、均匀受力，也节约了大量的穿束施工用时，同时配套使用了符合最新交通行业标准的桥梁用新型钢绞线塑料波纹管及配套件。

全桥在预应力施工中实施了“预应力张拉智能控制技术”，配套启用了“有效预应力监测系统”，全程对预应力施工质量进行实时跟踪测控，确保达到较高的技术标准，极大提高了现场施工质量。

（4）该桥于2018年11月建成，对拓宽波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥在大跨、超宽桥梁范围的应用具有积极参考意义。