大同市北都桥总体结构设计及计算分析

2012-09-25陈何峰吴用贤

城市道桥与防洪 2012年3期

陈何峰，吴用贤，王硕

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

1 设计概要

大同市北都桥位于山西省大同市主城区平城街延伸段上，是连接大同古城与新城的重要通道。大桥的建筑设计通过对廊塔拱肋造型的处理，融入了大同历史文化元素，既古朴又新颖，较好地展现了古典与现代风格相结合的建筑风貌。在结构布置上，结合引桥的人行廊道，主桥钢桁架拱采用单侧双吊杆的布置，其效果见图1。

图1 大同市北都桥效果图

2 结构设计

北都桥主桥采用140 m下承式钢桁架拱桥，两侧引桥采用等截面预应力混凝土连续箱梁结构，桥梁全长671 m。其桥型布置见图2所示。

主桥的钢桁架拱肋由4个钢箱组成，桥面结构采用结合梁，单侧双吊杆设置。设计中主箱梁采用双主梁与横梁组合的结构形式。充分利用较宽主梁的结构，使其不仅成为吊杆的受力锚固结构，也起到拱桥的系梁作用，承担全部的水平推力。这样的设计较好地解决了双吊杆横向布置问题，也省去了体外索设置，使受力更为明确，结构构造更为合理。

图2 桥梁整体布置（单位：m）

桥面结构由钢系梁、钢横梁、钢小纵梁和钢筋混凝土桥面板组成。钢系梁采用箱形断面，梁高2.222 m，箱梁内侧宽4.0 m，设两道腹板。吊杆处及其中间设置钢横梁，标准节段横梁采用工字形断面，跨中处梁高2.6 m。拱脚处端横梁采用单箱双室箱形断面。钢横梁间设置5道钢小纵梁，采用工字型截面。拱脚处采用拱肋与钢系梁固结体系，采用腹板传力。同主拱肋腹板对应，拱脚处钢系梁设置4道腹板。

与钢梁格结合成一体的钢筋混凝土面板，全宽36.5 m。桥面板分成预制和现浇接缝两部分，预制板厚250 mm。现浇接缝混凝土通过钢梁顶面的抗剪栓钉、预制板的外伸钢筋及接缝的纵横钢筋联结成整体。

主拱肋由4片桁架组成，单侧拱肋间中心距为2.0 m。上下弦杆均采用同心圆曲线，下弦杆矢高为28 m，矢跨比1/5。上下拱肋采用X形斜腹杆连成整体。上下拱肋均采用箱形断面，腹杆采用工字形断面。腹杆和弦杆腹板采用焊接，拱肋上下弦节段之间采用高强螺栓连接。全桥共设置二道风撑，一字型形式。

主桥吊杆选用平行钢丝冷铸锚吊杆，吊杆采用PES7-55吊杆，共96根。

主桥基础承台采用两级承台，上承台7×10.4 m，高1 m；主承台10 m×11 m，高2.5 m，下设群桩基础，直径为1.5 m的钻孔灌注桩共8根，桩长50～52 m。支座采用双曲面球型减隔震支座。

主桥横向布置见图3。

图3 主桥横向布置图（单位：m）

3 施工方案

根据现场条件及工程特点，以下为具体施工方案。

（1）第1阶段：全桥桩基、承台及墩身施工；主桥临时桩施工，搭设纵梁支架。

（2）第2阶段：支架上安装钢箱梁，拱脚节段和钢横梁；架设预制桥面板。

（3）第3阶段：主梁上搭设临时支墩，分节段安装拱肋至合拢。

（4）第4阶段:拆除拱的临时支墩，安装吊杆并张拉吊杆力至480 kN，拆除钢梁支架。

（5）第5阶段:浇筑桥面板湿接缝。

（6）第6阶段:施工桥面铺装等桥面系，张拉吊杆至成桥索力750 kN。

4 结构计算

4.1 主要技术参数

4.1.1 设计标准

（1）道路等级：城市主干道I级；

（2）设计车速：60 km/h；

（3）设计荷载：公路-Ⅰ级；

（4）设计基准期：100 a；

（5）结构安全等级：一级；

（6）抗震设防标准：按7度抗震设防，设计基本加速度值0.165 g。

4.1.2 设计荷载

（1）恒载

一期恒载：按主梁钢材和桥面板按实际重量计算；二期恒载(两侧)：铺装（桥面板上90 mm沥青）；人行道板5 kN/m(单侧)，铺装按10 cm沥青，防撞墙（单个）10 kN/m；考虑管线（单侧）5 kN/m。

（2）活荷载

按公路I级，8车道；人群及非机动车荷载：取2.55 kN/m2。

（3）温度荷载

体系升温30℃，体系降温-34℃。混凝土梁截面非线性温差：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）采用。

（4）静风荷载

按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）取用；按100 a一遇风速34.4 m/s进行计算，桥面风速达 46 m/s，考虑风速较大（＞25 m/s），考虑封闭交通。与汽车荷载组合的风速取桥面风速25 m/s。

4.2 整体静力计算

（1）计算模型

采用MIDAS_Civil2006(V7.4.1版)程序计算，将结构离散为空间杆系模型，按结构实际尺寸和施工过程进行模拟计算分析。主梁分别采用脊骨梁模型建模进行计算。系梁及拱肋用梁单元模拟，预制桥面板采用板单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，共有板单元648，梁单元2 244，桁架单元96，节点数2 491。计算结构模型见图4。

图4 主桥整体计算模型图

（2）计算结果

经计算分析，拱梁关键截面在成桥初期及运营阶段应力状态如表1所示。

各种工况下，钢结构使用正应力都未超过200 MPa，剪应力应力未超过120 MPa，应力水平合理，满足规范要求。

桥面顺桥向每2.65 m左右布置一道钢横梁，横桥向每6.0 m布置一道小纵梁，为单向板受力结构。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第4.1条，按单向板进行计算，公路-I级车辆荷载布载。按承载能力极限状态及正常使用极限状态设计，桥面板上下缘均配直径为22 mm的HRB335钢筋，间距为100 mm，正常使用极限状态最大裂缝宽度为0.16 mm，满足规范要求。

表1 杆系模型的杆件应力一览表（单位：MPa）

4.3 稳定计算结果

拱肋为压弯构件，应计算杆件整体稳定。根据整体计算结果，主桥一阶失稳系数为10.5。从造型美观方面考虑，钢桁架拱轴线采用圆弧线，且采用桁架体系拱肋，受力较为复杂。拱肋受力除轴压外，另有部分面内及外面弯矩存在。因此利用整体计算模型，进行屈曲模态计算，反推出拱肋失稳极限荷载。再根据欧拉公式，推导出拱肋计算长度。结合有限元计算结果，拱肋整体稳定系数φ=0.75。

因此考虑稳定后，组合I拱肋最大控制压应力为 φ[σ]=0.75×200=150 MPa。拱肋钢结构组合 I最大压应力为142.3 MPa，满足要求。

4.4 拱脚局部分析

（1）计算模型

大桥拱肋和主梁及端横梁相交节点处受力情况较为复杂，针对这一情况用通用有限元程序ANSYS对拱脚节点进行局部有限元模型受力分析。采用shell63单元模拟钢板，用solid 65单元模拟桥面板混凝土，共有59 033个节点，2D单元56 242，3D单元4 850。拱脚节点有限元模型见图5。

（2）施加计算荷载

根据Midas/civil杆系分析结果，提取结构内力及反力施加于实体模型，分别对恒载、恒载+活载（最大）、恒载+活载（最小）3个工况进行局部分析。支座反力的面荷载加在主梁底面支座垫板中央范围内。节点内力施加在主梁、中横梁以及拱肋的内侧和外侧的下弦杆、斜腹杆、直腹杆的端部设置的刚臂上。边界条件为约束端横梁跨中截面和约束主梁横断面。