下承式钢箱系杆拱桥结构设计分析

周益云,黄庆伟,徐 超

(中国华西工程设计建设有限公司，四川成都 610000)

钢箱系杆拱相对于梁式桥具有跨越能力强、外形美观的独特优势[1-3]。本文所介绍桥梁为主跨径145 m的下承式钢箱系杆拱桥(图1)。

图1 桥型整体布置(单位：cm)

1 主要构造

1.1 主梁构造

主桥采用跨径为145 m的下承式钢箱系杆拱桥，桥梁全宽34.0 m=3.0 m(人行道)+2.0 m(吊杆保护区)+11.0 m(非机动车道+机动车道)+2.0 m(花箱)+11.0 m(非机动车+机动车道)+2.0 m(吊杆保护区)+3.0 m(人行道)，桥面设2.0 %的“人”字横坡(图2)。

主梁采用钢箱梁，全长147.4 m(含两侧搭接牛腿长度)。主梁按纵、横梁体系设计，左右两道主钢纵梁中心间距为26.0 m，桥面系横梁间距为3.0 m，间隔一根横梁为吊杆横梁。为保证结构的整体性能，在拱梁结合段设置箱型截面的端横梁进行连接。端横梁采用单箱3室截面，顶、底板厚度分别为16 mm、20 mm，靠跨中侧边腹板厚度为16 mm，梁端侧腹板厚度为20 mm，支座中心线位置中腹板厚度为30 mm。腹板和底板均采用高200 mm的板型加劲肋加强。端横梁沿纵向每隔1.5 m设置一道横隔板，横隔板厚为16 mm。主梁采用预制拼装施工。考虑到施工现场的运输和拼装问题，主桥钢箱梁采用纵横向划分。节段箱梁间联结方式主要采用工厂焊接与工地现场焊接相结合的方式。

图2 主桥横断面布置(单位：cm)

1.2 主拱构造

主拱肋拱轴线采用悬链线[4-5]，主拱计算跨径145 m，矢高32.5 m，拱轴系数m=1.5。主拱采用左右平行拱肋，中心间距为26.0 m；拱肋采用箱型截面，宽2.0 m，截面在拱顶高为2.2 m，拱脚为3.5 m，截面变厚按纵向水平投影1.5次抛物线。主拱采用预制拼装施工，拱肋分为7个吊装节段，最大节段长度为41 m，吊装重量为76.65 t。节段间联结方式主要采用工厂焊接与工地现场焊接相结合的方式，加劲肋连接采用嵌补方式进行连接。

1.3 系杆构造

1.4 吊杆构造

1.5 下部结构

主桥下部结构采用盖梁柱式墩。盖梁为等截面矩形盖梁。主桥承台采用分离式承台，共计3个承台。承台间设系梁，单个承台下部接4根桩，共计12根桩。主桥基础采用钻孔桩基础，全部桩基础按嵌岩桩设计。

2 主桥施工步骤

(1)修建便桥、施工平台，桩基施工。

(2)主桥承台及引桥桥墩施工。

(3)主桥主梁钢结构节段吊装、焊接施工。

(4)主桥主拱钢结构节段吊装、焊接施工。

(5)安装系杆并张拉。

(6)安装吊杆并张拉。

(7)引桥梁体施工。

(8)附属工程施工。

(9)装饰工程。

(10)全桥竣工。

3 计算

对应主桥整体分析采用Midas Civil 8.32[6]进行全桥计算分析。

3.1 钢结构正常使用极限状态强度验算

正常使用极限状态验算结果见表1。

表1 主拱、主梁应力计算结果 MPa

表1结果显示，在正常使用极限状态组合下，主拱、主梁应力验算满足规范要求。

3.2 疲劳应力验算

疲劳应力验算按JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》第5.5.3章节所述计算模型Ⅲ进行加载。疲劳容许应力参照TB 10091-2017《铁路桥梁钢结构设计规范》表3.2.7执行，验算结果见表2。

表2 主梁疲劳应力计算结果 MPa

表2结果显示，主梁疲劳应力验算满足规范要求。

3.3 吊杆验算

在标准值组合下，吊杆最大拉力为1 395 kN，其破断力为5 720 kN，对应吊杆最小安全系数为4.1，满足规范要求。

同时根据计算结果显示，在单组对称更换吊杆时(不断交通)，吊杆的安全系数均大于3.0。吊杆最大疲劳应力83.9 MPa，不大于其限值200 MPa，满足规范要求。

3.4 挠度验算

活载挠度见图3，主跨最大活载挠度82.6 mm<145 000/500=290 mm，刚度满足要求。

图3 竖向位移计算结果

4 结束语

本文介绍了某钢箱系杆拱桥的基本设计内容和计算分析结果，计算分析表明，结构设计满足相关规范的要求，本文可为今后类似工程设计提供参考。