变高度异型刚架桥结构设计及计算分析——以福州市岐阳一路景观桥为例

刘澄源

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

0 引言

随着现代城市化建设和桥梁科学技术的迅速发展，城市对桥梁的功能、景观要求不断提高，城市桥梁设计在满足实用性基础上，还应关注其创意性及美观性[1]。现实中，城市桥梁设计，常受到地下管线、桥下道路、现状建筑物、通航及景观要求等因素制约，导致无法选择常规的桥梁结构形式，需要桥梁设计师通过精妙的构思，大胆选用创新的结构与技术，实现城市桥梁在实用性、创意性及美观性上的统一。

基于刚架桥通过主梁与墩台之间的刚性连接，显著减小竖向荷载下主梁跨中的正弯矩，跨中主梁高度也相应得以减小，如主梁采用钢材，跨中主梁高度进一步减小，使桥梁外观纤细轻盈，桥下视野开阔；同时，刚架桥桥面不设伸缩缝，支点无支座，行车舒适性高。因此，刚架桥在城市景观桥梁选型中具有独特优势。

本文以福州市马杭洲河上的岐阳一路景观桥为工程背景，介绍岐阳一路桥的选型过程，研究变高度异型刚架桥结构的可行性及合理性，以期为同类条件下的城市景观桥梁设计选型提供参考。

1 工程概况

福州市三江口片区处于城市“东进南下”轴线的重要节点，是承载疏解老城、连接滨海新城的重要地区，马杭洲河作为三江口片区的主要景观轴，目前正进行河道景观整治提升。岐阳一路桥是跨越马杭洲河上的一座景观桥，马杭洲河河道岸线宽度30m，桥面高程8.83m，常水位3.64m，涝水位5.49m；桥下河道两侧均设置4.0m宽的人行亲水步道，净高不小于2.5m，桥中通航要求通航净宽12m，通航净高不小于2.5m；主桥按双幅布置，桥面总宽度38m(2.5m人行道+3.0m非机动车道+1.5m侧分带+10.5m车行道+3m中分带+10.5m车行道+1.5m侧分带+3.0m非机动车道+2.5m人行道)。

基于上述要求，该景观桥须采用一跨过河的方案。故，主跨采用1m×30.4m变高度钢箱梁异型刚架结构，两侧采用混凝土桥台，钢箱梁与混凝土桥台采用预应力锚杆连接，桥台处挖空设置桥下人行步道，跨径布置8.45m+32.03m+8.45m，桥梁总长48.93m。桥型布置图如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 结构设计要点

2.1 上下部结构总体设计

在中小跨桥梁中，梁底的曲线造型是桥梁立面视觉效果的决定性因素，跨中与根部的梁高变化越大，梁底曲线越显著，景观效果越好[2]。相比于简支梁，钢箱梁异型刚架桥主梁与桥台固结，且自重较轻，跨中弯矩较小，因此跨中梁高可以取较小值1.2m≈L/27进行设计(L为跨径)，根部梁高取值3.0m≈L/11，梁底曲线采用R=570m圆弧线。半幅桥采用3片钢箱梁形成多肋结构造型，多条梁底曲线多方位展示结构的线条美。钢箱梁端部加厚段顶板、底板和腹板厚28mm，跨中段顶板、底板和腹板厚16mm。

下部结构采用混凝土桥台，基础采用桩径为1.5m钻孔灌注桩基础，桥台靠河一侧横向通过挖空设置为多肋，行人在桥下通行时，视线通透，视觉效果好。桥梁根部横断面布置图与桥梁效果图如图2～图3所示。

图2 桥梁根部横断面布置图(单位：cm)

图3 桥梁效果图

2.2 钢箱梁锚固连接设计

岐阳一路桥采用一跨过河方案，中跨跨径较大，且需要尽可能降低跨中梁高来满足景观与通航要求。因此，主梁只能选择预应力混凝土结构或钢结构。由于异型刚架桥属于多次超静定结构，选择预应力混凝土结构会产生复杂的次内力，导致预应力束设计与施工难度较大，故，主梁最终采用钢箱梁结构。

该案例初步设计，采用高强度螺栓摩擦型连接形式，将钢箱梁锚固在混凝土桥台上，但根据试算结果发现，钢主梁与桥台连接处剪力与弯矩较大，即使选用规范中最大型号M30高强度螺栓，一个螺栓也仅能提供355kN的预拉力，在同时承受剪力与拉力时无法提供足够承载力。因此，该项目借鉴混合梁结合部的构造设计，采用φ32预应力钢筋代替高强度螺栓，每个φ32预应力钢筋张拉控制应力设计为735MPa，单根预应力钢筋提供的预拉力可达591kN。预应力钢筋及其配套螺母材料采用40Cr，管道采用φ50 mm金属波纹管，全桥共布置1128根预应力锚固钢筋。预应力锚杆连接立面图、断面图分别如图4～图5所示。

图4 预应力锚杆连接立面图(单位：cm)

图5 预应力锚杆连接断面图(单位：cm)

预应力锚杆连接的施工步骤如下：

(1)锚垫板、预应力管道、预应力钢筋及配套螺母、加强钢筋、桥台钢筋等预埋就位；

(2)浇筑桥台混凝土；

(3)待混凝土强度达到设计要求时，首次张拉预应力筋；

(4)桥面附属施工，注意监测预应力锚栓松弛情况，并按监控要求对预应力筋进行补拉；

(5)封锚混凝土施工。

3 钢箱梁主要计算结果

3.1 建立全桥有限元分析模型

利用有限元软件MIDAS CIVIL建立全桥空间梁格模型，对桥梁进行整体计算分析。主梁、桥台和桩基均采用梁单元进行模拟，由于刚架桥主梁、桥台及桩基础构成整体，因此钢箱梁和桥台、桥台和桩基础单元在连接处固接[3]。

采用土弹簧模拟桩土作用，根据地质资料将单元厚度土层刚度系数计算出来，然后在层土中间处施加水平土弹簧，桩底采用固结方式施加竖向土弹簧[4]；温度效应采用整体升、降温25℃，梯度温度按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取值；台后填土影响采用主动土压力施加在桥台上。全桥共分1379个节点，1362个单元。全桥有限元分析模型如图6所示。

图6 全桥有限元分析模型

3.2 钢箱梁承载力验算

基本组合下钢箱梁上下缘应力包络图分别如图7～图8所示，基本组合下剪应力包络图如图9所示。由图7可见，钢箱梁上缘最小正应力为-53.9MPa(受压)，最大正应力36.5MPa(受拉)；由图8可见，钢箱梁下缘最小正应力为-49.7MPa(受压)，最大正应力77.3MPa(受拉)；由图9可见，钢箱梁最大剪应力47.2MPa。

图7 基本组合下钢箱梁上缘正应力包络图(单位：MPa)

图8 基本组合下钢箱梁下缘正应力包络图(单位：MPa)

图9 基本组合下钢箱梁剪应力包络图(单位：MPa)

该桥钢箱梁采用Q345qD 钢材，查规范得其抗弯、抗剪强度设计值分别为270MPa和155 MPa。基本组合下最大正应力 77.3MPa(拉应力)<270 MPa，出现在跨中底板处；最大剪应力47.2MPa<155 MPa，出现在1/4主梁位置处。因此，钢箱梁抗弯、抗剪强度满足规范要求。

3.3 疲劳强度验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》[5](JTG D64-2015)5.5规定，该桥整体疲劳验算采用计算模型Ⅰ(等效车道荷载)。钢箱梁控制截面在等效车道荷载下正应力及剪应力，分别如表1～表2所示。

表1 钢箱梁控制截面正应力 MP

MPa

根据规范附录表C.0.2，主梁为构造细节⑤，常幅疲劳极限应力为73.6MPa，剪应力幅疲劳截止限为45.7MPa。根据规范附录表C.0.3，钢梁纵、横向焊缝为手工对接焊缝，构造细节②，常幅疲劳极限应力为81.1MPa，剪应力幅疲劳截止限为50.3MPa。

由此可知，钢箱梁疲劳强度验算满足规范要求。

3.4 整体刚度验算

计算竖向挠度时，按照结构力学方法并采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇系数为1.0，活载下钢箱梁挠度如图10所示，在活载频遇值作用下，钢箱梁最大竖向挠度值为7mm

图10 活载下钢箱梁竖向挠度(单位:mm)

4 预应力锚杆连接计算

预应力锚杆连接，通过张拉预拉力钢筋压紧梁端封板与预埋钢板，靠接触面的摩擦力阻止其相互滑移，以达到传递外力目的，原理与高强度螺栓摩擦型连接相同，因此，采用高强度螺栓摩擦型连接的计算方法，验算预应力锚杆连接的抗剪承载力与抗弯承载力。

根据《钢结构设计标准》[6](GB 50017-2017)第11.4.2条，高强度螺栓摩擦型连接应按下列规定计算：

一根预应力锚杆的抗剪承载力设计值为：

一根预应力锚杆的抗拉承载力设计值为：

根据全桥有限元计算结果，基本组合下主梁端部截面内力包络值为：

剪力——Q=-8152kN;

弯矩——M=-42924kN·m;

轴力——N=-2251kN。

(1)预应力锚杆连接承受拉力验算

受力最大的预应力锚杆承受的拉力为：

=189.9kN≤0.8P=472kN

(2)预应力锚杆连接同时承受剪力与拉力验算：

受力最大的预应力锚杆承受的剪力为：

由此可知，预应力锚杆连接验算满足规范要求。

5 结论

(1)变高度异型刚架桥跨中梁高较小，桥下视野开阔，且桥面不设伸缩缝，行车舒适性高，在需要一跨过河、桥下净空较低且桥下设置过道的条件下，变高度异型刚架桥能很好地满足景观及功能需求。

(2)该桥主梁采用多片钢箱梁形成多肋结构造型，多条梁底曲线多方位展示结构的线条美，下部结构采用混凝土桥台，桥台靠河一侧横向通过挖空也设置为多肋，行人在桥下通行时，视线通透，视觉效果好。

(3)该桥设计难点在于如何将钢箱梁锚固在整体式桥台上，由于钢箱梁根部锚固处剪力和弯矩较大，采用预应力钢筋代替高强度螺栓，通过张拉预拉力钢筋压紧钢箱梁梁端封板与预埋在混凝土桥台里的钢板实现锚固连接，计算结果表明，预应力锚杆连接可以提供足够承载力。