大跨度桥梁钢桁架景观拱设计关键技术

白 龙(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司, 甘肃 兰州 730000)



大跨度桥梁钢桁架景观拱设计关键技术

白 龙
(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司, 甘肃 兰州 730000)

介绍了永靖县黄河上的桥梁结构的景观设计要点,并对大跨度钢桁架景观结构进行了分析计算,并对结构本身从设计,制造,施工等方面进行了一些细部构造设计,给今后的桥梁结构景观设计提供了参考.

桥梁工程; 景观设计; 钢桁架组合拱桥结构设计; 构造设计

永靖黄河桥为跨越黄河的连续梁桥,地处黄河S弯道,考虑到本桥所处的特殊地理位置并结合区域文化特点,对本桥进行景观设计.

该桥推荐方案是在(70+128+70)m连续梁桥上设置钢桁架组合拱桥,主拱肋跨度为(71+128+71)m,全长270 m.主拱下弦矢跨比为1/4.267,矢高为30 m.钢桁拱上下弦杆采用Φ1 000×12 mm空钢管,拱脚部分采用钢管混凝土.腹杆采用Φ377×9 mm钢管,两主拱钢桁之间设置米字型横撑相连.下弦杆采用二次抛物线,上弦杆采用三条二次抛物线拟合而成,三条曲线在拱脚处反向过渡,最终平切于桥面之上,与主桥形成协调统一的整体结构,该桥景观效果图见图1.

图1 永靖黄河桥景观设计效果图

1 设计特点

永靖县作为黄河上游重要城市,城市建设日新月异,社会发展蒸蒸日上.桥梁的设计不仅要体现历史文化,更要体现继往开来、与时俱进的和谐发展理念.方案固然要别出心裁,但更重要的是将其与城市总体规划融为一体,以现代的方式进行桥梁的方案设计,体现和谐独特的黄河文化.

(1) 该桥的景观源自传统的拱桥,但它又突破了传统的拱桥外形的单一效果,上弦在拱脚处采用反向曲线平顺过渡,最终相切于桥面之上,突破了传统拱桥在拱脚处的不连续之感,使全桥形成整体的曲线之美.下弦主跨采用二次抛物线,并用合理的矢跨比,构成了和谐的失跨黄金分割比例,边跨下弦与主桥梁底曲线一致,和谐顺畅.

(2) 钢桁架的结构体系宏伟大方,洋溢着现代化的工业气息.

(3) 永靖县为恐龙之乡,本方案的设计整体效果也犹如双“龙”相栖,具有浓厚的地方文化特色.

(4) 方案的整体设计景观表现以水平连续和延伸为主,梁体的结构、造型、色彩具有纵向视觉的连续性,全桥的曲线风格造型统一协调.

2 结构设计

景观拱结构虽然不承受主结构恒活载的作用,但是作为拱结构,它需承受本身钢管的自重载荷,温度载荷以及风载荷作用,必须验证在各种载荷作用下的主体结构的稳定性及强度,另外在地震作用下主拱对桥梁下部结构的影响作用也不得忽视.

(1) 结构径厚比的确定.根据钢结构设计规范规定,圆钢管的外径与壁厚之比不应超过100,且支管的壁厚不应大于主管;本桥景观设计主要为空钢管,上下弦杆直径为1 000 mm,根据最小的径厚比,考虑到一定的安全系数,取其壁厚为12 mm,则主拱径厚比为1 000/12=83.3;腹杆及横撑为支管,直径为377 mm,取其壁厚为9 mm.

(2) 腹杆及横撑型式的确定.钢管拱桥腹杆的常见设置型式有K撑,W撑及P撑等型式,K撑及P撑受力性能较好,P撑单根杆件受力相对较大,但简洁明确,结景观效果较好,考虑到本桁架拱为景观拱,不参与主体结构的受力,因此选择P撑作为腹杆的连接方式,仅在长度较大的拱脚处做部分加强的K撑,不影响结构的整体美观效果;由于本桥景观为整体空间桁架结构,受到净空限制,边跨横撑设置相对较少,因此采用了较强的米字型横撑,以加强横桥向的整体稳定性.

(3) 结构整体内力及稳定性的验算

① 结构计算模型的确定

本桥景观桁架拱结构采用有限元midas civil程序平面杆系单元建模,全桥共115个单元,116个节点.节点10、13为边跨支点,节点11、12为中跨支点.计算中考虑恒载、活载、风载荷、地震作用组合.结构计算模型如图2所示.

图2 结构计算模型Fig.2 Structure calculation model

经过计算,结构的主要纵向变形由温度载荷引起,当中跨边跨均采用固结约束时,结构边跨由于次弯矩引起的应力明显增大,应力幅值显著增高,并对过渡墩产生较大的水平推力.因此该桥模型采用主跨支点固结约束,边跨支点仅释放X(纵向)约束,使主拱纵向能够自由变形.经过调整以后计算结果显示,在基本组合作用下,结构的纵向最大变形为30 mm,相对变形不大,预留空隙能够满足主拱钢管变形要求.

拱脚处应力图如图3所示,在基本组合作用下,结构的应力分布从拱顶至拱脚逐渐增大,上弦杆变化较为均匀,在拱脚处增大后向边支点逐渐减小,下弦杆拱脚处应力有较大突变,部分腹杆应力也较大,考虑到受力的安全性,采用下弦杆拱脚处向两侧应力较大的部位及拱脚竖向腹杆采用部分钢管混凝土结构(见图4),以加强结构拱脚的刚度及强度,以结构受力合理安全.

图3 拱脚处应力图Fig.3 Arch springing stress diagram

② 结构验算

通过midas有限元结构分析软件建立景观拱的模型,拱肋及连接杆件采用空钢管梁单元,拱脚处钢管混凝土节段采用组合截面进行模拟,对自重,温度及风载荷组合作用下的结构进行验算.

通过计算,在载荷基本组合作用下,拱脚截面处节段上下弦杆及腹杆应力最大,边跨由于其横向连接相对较弱,跨中节段应力较大,对应力较大的单元,验算其强度和稳定性均满足要求;结构整体应力变化较为均匀,均满足钢结构强度要求;结构整体的稳定性也满足要求.

通过计算,11、12号支点的载荷竖向反力较大,10、13号支点的水平反力较大,分别将各墩顶产生的水平和竖向反力作为墩顶作用力与主结构的上部恒活载反力进行组合验算,下部结构承载力均满足要求.

通过结构反应谱计算,在偶然载荷组合下,结构景观结构产生的作用远小于横向风力作用,抗震验算不控制结构受力.

图4 拱脚钢管混凝土节段布置图Fig.4 Arrangement plan of concrete-filled steel tubular section of arch springing

3 构造设计

为了景观结构整体功能,同时在景观拱上设置一些构造措施,保证其使用安全,受力合理,美观大方.

(1) 截面过渡.由于主拱下弦拱脚处为钢管混凝土截面,其余截面均为空钢管,这样在实腹及空腹截面交接处便会出现应力突变现象,为此在实腹与空腹交界处的隔仓板外侧设置沿纵向渐变的梯形加劲钢板,应力通过加劲钢板刚度的变化逐渐过渡,改变了钢管应力突变的现象(如图5所示).

(2) 拱脚约束.本景观拱主拱脚及边孔拱脚处为固定约束,为了加强拱脚受力的可靠性,拱脚挡块混凝土分两次浇筑,先浇筑核心混凝土,架设拱肋后再浇筑二期混凝土,这样可以增强新旧混凝土的结合面,同时有利于拱肋的架设;另外,保证拱脚拱肋埋入混凝土1倍的管径以上,同时在拱肋的拱脚钢管外表梅花形布置竖向的针刺钢筋,加强拱脚的稳定性(如图6所示).

图6 拱脚约束示意图Fig.6 Schematic diagram of arch springing restraint

(3) 吊杆设计.本景观拱吊杆仅起到装饰性作用,因此吊杆采用不受力的精轧螺纹钢筋,并在其外侧外包哈佛外套管,并填充密实;在主拱下弦钢管的外侧焊接六面体的异型钢吊箱,吊杆顶端通过螺母锚固于吊箱内,螺母下缘垫上能够适应主桥箱梁变形能力的弹簧垫圈,以抵消由于主梁竖向变形引起的吊杆拉力;吊杆的底端在与桥面接触处设置楔形的橡胶减震体后,穿过箱梁翼缘板预埋钢管锚固于翼缘板底缘(如图7所示).

4)截面加劲措施:为了增加空钢管的截面刚度以及防止在空钢管节段运输安装过程中的屈曲变形,在钢管内侧每隔4m设置一道角钢十字撑,每隔2 m设置一道环向的加劲钢筋,钢筋与十字撑交错布置,并在每节节段的端头处用角钢十字撑加强(如图8所示).

图7 吊杆设计示意图
Fig.7 Schematic design of boom

图8 截面加劲示意图Fig.8 Sketch map of section reinforcement

(5) 横向限位装置:受到桥面行车净空的影响,本桥景观拱边跨两片桁架之间的横向联系较为薄弱,边跨整体刚度较小,边跨跨径较大达到71 m,在风载荷作用下,边跨横桥向会产生相对较大的变形,为了限制其横桥向的位移,在边孔纵桥向1/3L和2/3L处设置横桥向的限位装置(限位装置由钢箱装置及沿纵桥向滑动的滑板支座组成),只限制拱肋横桥向的变形,纵桥向可以自由滑动(如图9所示).

图9 横向限位装置示意图Fig.9 Schematic diagram of transverse limiting device

(6) 横向联系结构安装构造设计.钢结构设计过程中,必须考虑其安装条件,结构的设计要保证安装便于实现,同时连接可靠.

对于本桥的钢管安装,例如合拢段以及弦杆与横撑之间的圆头拼装,施工中很难下料,焊缝质量亦难以得到保证.因此采用外包钢板焊接的方式进行拼接,在主拱弦杆制作过程中就制作好端接头,待横撑下料到位后,用外包钢板将接头焊接起来.这样下料容易,又能很好的保证构件连接的质量(如图10所示).

图10 横向联系安装构造置示意图Fig.10 Schematic diagram of horizontal connection installation structure

4 结 论

桥梁景观设计已经成为市场的需要,特别是城市桥梁,成为设计中必须考虑的因素,越来越多的桥梁需要表达时代寓意,地方特色.设计者在设计之初就要考虑景观设计规划,要认识到桥梁作为一种跨越纽带,对于城市的地标意义.根据该桥的计算及设计,可以形成以下结论,对景观结构的设计提供一定的参考意义:

(1) 景观拱结构虽非主要受力构件,但其本身结构的自重、风载荷、温度载荷以及地震作用都需要进行考虑并进行必要的结构计算.

(2) 主拱结构纵向温度力作用较大,通过使边跨释放纵向约束,结构纵向变形不大,但能够很好的减小结构应力,有利于结构的受力.

(3) 主拱支点两侧结构应力幅值相对较大,采用部分钢管混凝土可以增加结构的抗力.

(4) 通过合理的构造设计,使结构受力安全,安装方便、可靠:

① 对于结构刚度变化较大的部位(空钢管与钢管混凝土的过渡段),通过设置刚度变化的隔仓板可以很好的实现结构刚度的变化,避免结构的应力集中现象.

② 拱脚钢-混凝土的连接部位通过设置针刺钢筋及混凝土的分批浇筑实现节点的可靠连接.

③ 通过空钢管内设置环向加劲钢筋和十字撑的方式来增加主拱空钢管的刚度,以免引起空钢管局部失稳.

④ 对景观拱吊杆增加弹簧垫圈和减震体来减少其参与结构受力,避免主梁变形引起的竖向拉力.

⑤ 通过设置横向限位装置来限制边跨横桥向风载荷引起的结构变形.

⑥ 对于钢桁架节段采用外包钢板焊接的方式来减少节段安装的工序,增加结构的焊接质量.

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【责任编辑: 肖景魁】

Key Technology of Landscape Arch Design of Long-Span Bridge Structure

BaiLong

(Gansu Province Transportation Planning, Survey & Design Institute Co. Ltd., Lanzhou 730000, China)

Based on a bridge on the Yellow River in Yongjing County, this paper introduces the main points of the landscape design of structure. The structure of large span steel truss are analyzed, and some detailed design is done for the structural design and mechanical design, considering manufacturing and construction. The research result can provide reference for bridge landscape design in the future.

bridge engineering; landscape design; structural design of composite steel truss arch bridge; mechanical design

2016-12-28

白 龙(1983-),男,陕西渭南人,甘肃省交通规划勘查设计院股份有限公司工程师.

2095-5456(2017)03-0244-06

U 442.5

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