朔州市安泰街大桥主桥结构设计

2017-06-26丁文俊

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：系梁腹杆主桥

丁文俊

（同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市200092）

朔州市安泰街大桥主桥结构设计

丁文俊

（同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市200092）

重点介绍了山西省朔州市安泰街跨七里河的一座重要城市景观桥梁-安泰街大桥的结构设计和计算分析。该桥主桥采用三跨桁架拱梁组合体系，主拱采用内倾式无风撑结构，斜拉索扇形布置，桥梁造型新颖美观。通过静力、稳定和疲劳计算分析，验证了该设计方案的合理性及安全性，可为同类桥型设计提供参考。

拱梁组合体系；结构设计；计算分析；内倾式无风撑结构

1 设计概要

安泰街桥是山西省朔州市七里河景观改造工程的重要节点，是七里河休闲公园与北部新城区连接的纽带，也是未来交通量和人群较为密集的区域。根据七里河桥梁群规划设计，安泰街桥位于整个桥梁群核心位置，桥梁设计方案应采用具有一定体量且具有较为新颖的桥梁造型作为整个城市的地标。

桥型方案采用桁架拱梁组合体系，拱肋为上下两片，用桁架连接为一体，形成镂空的拱肋空间，结合扇形拉索、现代感十足的拱肋线条，犹如一幅独特的时尚空间剪纸画，将成为朔州市七里河上的一大亮点与标志。其效果图见图1所示。

图1 朔州市安泰街桥效果图

2 结构设计

安泰街桥主桥采用三跨连续中承式钢桁拱梁组合体系，主拱为内倾式无风撑结构，桥梁造型新颖、美观，主桥跨径布置40.0 m+128.0 m+40.0 m =208.0 m，引桥采用预应力混凝土连续梁结构，西侧引桥跨径布置为3×30 m=90 m，东侧引桥跨径布置为4×30 m=120 m。桥型布置见图2所示。

图2 桥梁总体立面布置图（单位：m）

主桥总宽44.5 m，主桥断面布置为3.0 m拱肋吊杆区+3.25 m人行道+4 m非机动车道+0.5 m绿化带+23 m机动车道+4 m非机动车道+0.5 m绿化带+3.25m人行道+3.0m拱肋吊杆区=44.5m。图3为桥梁标准横断面。

图3 主桥标准横断面布置图（单位：m）

主桥拱肋为内倾拱肋，倾斜角度为10°。拱肋包括中拱肋、边拱肋和副拱肋。根据景观特点，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32.0 m，桥面以上拱肋高19.757 m，中拱跨径128.0 m，边拱肋拱轴线矢高9.5 m，跨径为40.0 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，中拱肋截面高度为1.759～2.327 m，宽度为2.2m。副拱采用箱形截面，截面高度为1.5m，截面宽度为2.2 m。中拱肋与副拱肋在拱顶形成一个整体箱形断面。边拱肋截面采用箱形截面，拱脚端拱肋截面高度为2.54 m，宽度为2.2 m，拱顶端截面高度为1.8 m，宽度为2.2 m。边拱肋与副拱肋在桥梁端部形成整体箱形断面。边拱肋、中拱肋在中支点处采用箱型腹杆连接，截面高2.2 mm，宽1.3m，其他腹杆均采用王字型截面，截面高2.2m，翼缘宽0.8～1.0 m。

桥面系采用正交异性钢桥面板，桥面板板厚为16 mm，加劲肋采用U型加劲肋。跨中桥面荷载由横梁传递到系梁上，跨中横梁间距为6.0 m，横梁之间设置一道横向加劲肋，横梁采用工字型截面，截面高度由1.832 m渐变到3.0 m。

主梁与拱肋相交处设置中间横梁，中间横梁采用箱形截面，截面宽度为3.55 m，截面高度由1.8 m渐变到2.097 m。

墩顶横梁采用桁架式门架结构，所有杆件均采用箱形截面，横梁腹板间距为1.175 m，截面高度由1.502 m渐变为1.8 m。其余中间横梁采用工字型截面，截面高度分别为3.0～4.2 m。端横梁采用箱形截面，截面腹板间距为2.0 m，截面高度由1.93 m渐变到2.5 m，内部设置压重混凝土，压重混凝土总重不小于450 t。

横梁间共设置三道小纵梁，纵梁截面采用工字型截面，截面高度为1.2 m，在中间横梁、墩顶横梁和端横梁处分别渐变为1.8 m、2.2 m和2.5 m。

主桥共设置15对吊杆，吊杆成扇形布置，系梁上吊杆间距为6.0 m，拱肋上吊杆间距为3.0 m。吊杆安全系数为3.0，拉索设置365 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，拱肋内吊杆锚头采用热铸锚具，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。系梁处吊杆锚头采用热铸锚具，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→横隔板→系梁腹板。

主桥拱座采用椭圆形变截面拱座，拱座顶截面尺寸为4.5 m×7.5 m，拱座底尺寸为6.0 m× 9.0 m，拱座高2.5 m，拱座下设置矩形承台，承台高3.0 m，承台长15.5m，宽11.5 m。承台下采用12根直径为1.5 m的钻孔灌注桩。

主桥钢桥面铺装采用70 mm厚的沥青铺装，铺装结构为50 mm厚SMA10+20 mm厚R A05+ E B C L层。

该桥的主要技术难点和关键点在于拱肋为内倾式无风撑结构、拱肋和系梁及横梁相交节点，中边拱肋和腹杆相交节点。主桥采用无推力结构，主墩处设置支座，由于拱肋为内倾式无风撑结构，因此主桥在荷载作用下横向位移较大且整体稳定性较差。设计在主墩处设置桁架式横向门架（见图4），增加了主桥的横向刚度和整体稳定性，从而达到设计要求。拱肋和系梁及横梁相交节点处，设计保证系梁和拱肋的整体节点板连通，中间箱型横梁端焊与拱肋系梁内侧节点板上，焊缝采用全熔透外贴角焊缝以保证有足够的强度和疲劳性能。中边拱肋和腹杆相交节点处，设计将中边拱肋和腹杆的腹板组成整体节点板，腹杆侧板贯通端承于支承板上，拱肋顶底板分别端焊于腹杆侧板，侧板设置加劲与拱肋顶底板对顶，增加腹杆侧板面外刚度。

图4 墩顶拱间桁架式门架设计图（单位：m）

3 结构计算

3.1 主要技术参数

3.1.1 设计标准

（1）道路等级：城市次干路；

（2）设计速度：40 km/h；

（3）设计荷载：城-A级，人群荷载：按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）[1]第10.0.5条规定选用；

（4）设计基准期和设计安全等级：

设计基准期：100 a；

设计使用年限：100 a；

设计安全等级：一级，γ0＝1.1；

（5）抗震等级：地震基本烈度为7度，地震动峰值加速度为0.15 g，设计特征周期为0.55 s，桥梁抗震设防分类为乙类；

（6）百年一遇基本风速：32.6 m/s。

3.1.2 主要设计荷载

（1）一期恒载包括：主拱、主梁、拱座和承台自重，结构根据截面自动计入重量，钢结构横隔板及加劲肋按钢结构自重的20%计入，钢材材料容重为78.5 k N/m3，混凝土材料容重为26 k N/m3，端横梁内填充压重混凝土，压重混凝土等效集度为130k N/m。

（2）二期恒载：沥青混凝土容重为23 k N/m3；防撞栏：10 k N/m/侧，人行道：20k N/m/侧。

（3）活载：双向6车道，采用空间加载，车道折减系数及冲击系数自动计入；人群荷载集度为2.85 k N/m2。

（4）静风荷载按《公路桥涵设计通用规范》（J T G D60-2015）[2]取用，百年一遇基本风速为32.6 m/s。

（5）边支座沉降按15mm计入，中支座按30mm计入。

（6）钢结构的整体升降温：体系升温：30℃，体系降温：40℃；钢梁梯度升降温按照欧洲规范1991-1-5[3]取值，如图5所示。

图5 钢结构梯度温度图示

3.1.3 主要荷载组合

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（J T G-D64-2015）[4]，钢结构构件需按承载能力极限状态验算强度和稳定性；作用组合效应设计值按《公路桥涵设计通用规范》（J T G-D60-2015）[2]规定取值。

3.2 静力计算分析

3.2.1 计算模型

主桥静力计算模型采用M id a s/C i v i l2012 V8. 0.5建立。拱肋、横梁、纵梁及腹杆采用梁单元进行模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元进行模拟，全桥共871个单元。模型边界约束根据支座类型进行设置，钢结构材料采用Q345，拱座采用C40混凝土，承台及系梁采用C35混凝土。计算采用k N、m制，应力单位为MPa，有限元模型如图6所示。