空间网状吊杆拱桥的设计与分析

颜心园， 李 龙， 施文杰

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

网状吊杆拱桥是具有至少相互交叉两次的倾斜吊架的系杆拱桥。Tveit[1]最早在博士论文期间提出并开始研究网状拱桥，详细介绍其极具竞争力的特点。而后网状拱桥不断发展，在欧洲及日本已建近百座[2,3]。2014年建成的网状吊杆拱桥——新西伯利亚布格林斯克桥，跨径已达380 m。张坤[4]指出网状吊杆可以改变结构的受力，使拱的弯矩重新分配，使拱肋的受力更均匀，同时改善拱肋面内刚度，与直吊杆拱桥相比结构的变形明显减小(约41.8%)。李亚东[5]指出，网状吊杆拱桥不仅可用于大跨度公路和铁路桥，也有潜力在高铁桥梁领域内一试身手。网状拱桥有着较强的竞争力，我国铁路桥率先引入尼尔森拱，已建多座80 m、96 m、112 m及128 m跨度斜吊杆拱桥，但公路桥梁应用较少。

1 工程概况

1.1 项目背景

本文以某跨大堤90 m网状吊杆系杆拱桥为背景。桥面纵坡为2.5%。

跨堤桥横断面布置如图1所示，具体为:1.525 m(拱圈)+2 m(人行道)+2.5 m(硬路肩)+8.25 m(车行道)+3.5 m(中间带含护栏)+ 8.25 m(车行道)+2.5 m(硬路肩)+2 m(人行道)+1.525 m(拱圈)，全宽32.05 m。

图1 桥梁跨中标准横断面(单位：cm)

1.2 总体布置

跨堤桥为90 m跨简支网状吊杆系杆拱桥，矢跨比为1/5。

图2 桥梁总体布置图(单位：cm)

2 结构设计

2.1 拱肋及风撑设计

本桥主拱肋由两片平行拱肋组成，拱肋横向中心间距30.5 m。拱轴线由三段圆弧形组成，矢跨比为1/5。如图3所示，拱圈共划分为7个节段：梁拱结合段(2个)、拱肋B和C节段(各2个)、跨中A节段(1个)。

图3 拱肋节段划分图(单位：cm)

拱肋采用分段变厚钢箱截面，截面高2.0 m，宽1.5 m，钢箱壁板设置I型加劲肋。从梁拱结合段至跨中段，拱肋顶底板厚由24 mm渐变至16 mm，腹板厚度由28 mm渐变为16 mm。拱肋根据受力及吊杆、风撑等构造需求，设置三种类型横隔板，依次为吊杆处横隔板、非吊杆区完整截面横隔板、非吊杆区半截面横隔板。

本桥桥宽较宽，设置横向风撑改善拱肋横向稳定性。通过对比一字型、K型、X型三种风撑，推荐采用简洁的一字型横撑。全桥共设置3道横向风撑，风撑截面高1.6 m、宽1.4 m；箱型截面钢板厚均为16 mm。

2.2 桥面系设计

跨堤桥桥面系采用正交异性钢桥面板，桥面板厚14 mm，焊接与钢纵梁上。桥面板设置4根倒T型小纵梁，小纵梁梁高为1.0 m，横向间距为6.0 m，腹板厚度为16 mm，底板厚度为20 mm。小纵梁之间设置U型加劲肋，U肋横向间距为600 mm。中央分隔带及硬路肩下顶板设置I型加劲，加劲肋厚14 mm，间距300 mm。

考虑吊杆锚固需要，桥面系跨中横梁均为吊杆大横梁，横梁标准间距为3.25 m,横梁高度为2.0 m(系梁处)～2.5 m(跨中)。横梁与主纵梁采用栓接。

由于桥面横向宽29 m，综合比较钢混混凝土组合桥面板、钢桥面板及钢纤维混凝土组合面板[6]，推荐采用8 cm厚C50钢纤维混凝土+10 cm沥青混凝土，设置直径16 mm剪力栓钉。组合桥面系避免了混凝土板较重及张拉预应力问题，不需要模板，便于快速化施工，同时避免了钢桥面铺装的黏结性问题。

2.3 钢纵梁设计

钢纵梁采用等截面钢箱断面，梁高2.0 m，宽1.5 m。纵梁顶底板、腹板为分段变厚钢板。

钢纵梁采用刚性钢梁与柔性系杆共同受力，即柔性系杆分担部分恒载水平推力，钢纵梁承担剩余恒载和活载水平分力。这样不仅发挥预应力钢绞线柔性系杆的抗拉性能，而且钢纵梁做得更纤细更薄。柔性系杆采用单丝涂覆环氧无黏结预应力钢绞线，单侧主纵梁设置4束-12股Φs15.2环氧钢绞线。

2.4 吊杆设计

本桥吊杆采用可更换无黏结环氧喷涂钢绞线成品索。吊杆上端采用锚管式锚固，下端采用耳板销铰式锚固形式。

初步设计阶段，与直吊杆相比较，网状吊杆布置活载竖向变形减小37%；一阶竖弯基频由1.54 Hz(直吊杆)变至2.26 Hz(网状吊杆)，拱肋一阶侧倾频率由1.067 Hz(直吊杆)变为1.069 Hz(网状吊杆)。鉴于网状吊杆较大地提高竖向刚度，最终采用网状吊杆布置形式[7,8]。

本桥网状吊杆为梁上等间距等倾角斜交吊杆[9]，吊杆与吊杆夹角为45°，吊杆与水平面夹角为67.5°，吊杆梁上锚固标准间距为3.25 m，端部间距3.6 m，交叉吊杆横向间距为0.3 m。

3 结构计算分析

运用MIDAS Civil软件建立有限元模型，如图4所示,对跨堤桥进行总体计算分析，根据现场施工工序进行有限元模拟分析。通过模拟分析跨堤桥施工及运营等各工况的受力与位移情况，如图5～图7所示，主要计算结论如下：

图4 桥梁结构有限元模型

图5 成桥阶段拱肋轴力图(单位：kN)

图6 成桥阶段拱肋弯矩图(单位：kN·m)

图7 汽车活载作用下系梁竖向位移图(单位：mm)

(1)成桥阶段下，拱肋最大轴力为9 723.1 kN，拱肋弯矩除拱脚及拱肋扰动区略大(2 992 kN·m和1 520 kN·m)，其余中间跨中拱肋弯矩均小于1 000 kN·m。可见钢拱圈弯矩较小，受力较均匀。

(2)使用阶段标准组合下，拱肋最大压应力为135 MPa，横梁下缘最大应力为148 MPa，钢纵梁最大应力为66.4 MPa。钢梁各部分应力满足规范要求。

(3)汽车活载作用下钢纵梁最大竖向挠度为29 mm，约为L/3000

(4)使用阶段吊杆应力均满足2.5倍安全系数，吊杆活载最大应力幅为125 MPa<200 MPa，满足吊杆疲劳要求。

(5)整体屈曲分析，主拱肋最小临界荷载系数为9.52，大于弹性屈曲稳定值4～5，满足规范要求。

4 结语

本文以某跨堤网状吊杆拱桥为研究对象，首先介绍结构构造尺寸，然后运用有限元软件分析桥梁结构静力性能、动力特性及整体屈曲稳定性，主要结论如下：

(1)网状吊杆系杆拱桥矢跨比一般为1/5～1/7，总体建筑高度低，结构轻盈，线形简洁，景观效果较好，且已建网状拱桥最大跨径达380 m。可见，网状拱桥可以在大跨度桥梁方案设计中具有较强的适用性。

(2)本文所述网状拱桥，拱肋弯矩较小，受力更加均匀，有利于发挥材料的性能，增加结构的经济性；通过与直吊杆比较，网状吊杆布置较好地提高结构面内刚度，大幅度减小活载下的结构变形。笔者认为，公路桥梁发展网状拱桥对公路常见超载问题也是有利的。

(3)计算表明，网状吊杆对面外刚度影响可以忽略，随着桥梁跨径和桥梁宽度增加，结构的横向稳定性将引起重视。方案设计阶段，应合理选用横向支撑形式和刚度，以提高结构侧向屈曲稳定性能。

网状吊杆拱桥作为一种新颖而又有吸引力的桥型，经过几十年的发展，在国外得到广泛的应用，国内发展相对较为缓慢。鉴于网状拱桥的较强承载力及优美的造型，其在公路、铁路、市政桥梁中将会得到进一步发展和应用。本桥的设计为大跨度网状拱桥设计积累了经验，可为同类桥梁提供参考。