上飞燕式钢箱拱桥方案比选及整体计算分析

卢元刚

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.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)

根据阜阳泉河、沙颍河城区段桥梁建设规划，阜阳城区段远期将达到14座跨河桥梁，构成规模宏大的桥梁群，未来桥梁群景观将成为两岸景观的最大展示面之一。

向阳路颍河大桥位于阜阳颍河三角洲公园区域，未来城市发展中心区域。根据桥梁群整体景观规划，本项目采用上飞燕式三跨拱桥,如图1所示。桥梁立面如飞燕式造型，拱圈立面犹如两条丝带从拱顶飘落，与桥面完美顺接；横断面上看，配合曲线X形风撑，呈门式造型。上飞燕钢箱拱桥展现自身曲线流畅，整体对称、柔和之特点，与周围环境参差错落互补，唱响城市发展的优美和谐的主旋律。

图1 桥梁总体方案图

1 上飞燕式钢箱拱桥总体方案及桥面系结构比选

向阳路颍河大桥主桥跨径布置为(47+148+47) m，主桥全长242 m，为上飞燕式梁拱组合桥梁。在此结构基础上，主跨与两侧边跨构成三跨连续梁拱组合受力体系，其中主跨本身为下承式系杆拱桥，系杆为刚性系杆[1,2]。

拱圈为双片钢箱拱结构，在桥梁总体设计阶段针对桥面系材料类型及结构形式开展了比较分析，推荐方案采用钢桥面系，钢纵梁及正交异性钢桥面板，如图2所示；比较方案采用混凝土桥面系，预应力混凝土纵梁及混凝土桥面板，如图3所示。

1.1 两种桥面系设计方案[3]

推荐方案中，钢桥面系钢纵梁高2.5 m，宽2.0 m。纵梁顶底板、腹板均为24 mm厚钢板。钢纵梁结构作为主受力结构，承受拱圈的水平推力。横向钢横隔梁顺桥向间距3.0 m，横梁钢板厚20 mm，横梁与两侧主系梁通过高强螺栓连接。桥面板采用正交异性钢桥面板，厚度16 mm，桥面板U肋采用8 mm钢板压制成的U形闭口肋。

图2 钢桥面系标准横断面(推荐方案)

图3 混凝土桥面系标准横断面(比较方案)

比较方案中，混凝土桥面系由预应力混凝土系梁、中横梁、端横梁组成的框架式结构体系。系梁跨中为箱型结构，端部为适应拱脚受力需要采用实心截面，中横梁采用带马蹄的“T”型混凝土截面，端横梁为单箱三室结构，纵横梁均采用预应力混凝土结构，桥面板采用混凝土桥面板。

1.2 考虑总体外形及拱梁衔接锚固构造因素的主梁结构形式比选

混凝土桥面系方案中，混凝土主梁与钢拱圈结合处较难以处理，钢混结合处构造复杂，施工控制难度大；拱脚需做较大的混凝土底座，如图4所示。

图4 混凝土桥面系梁拱节点构造方案

图5 钢桥面系梁拱节点构造方案

钢桥面系方案中,拱脚处拱圈上、下缘线为二次抛物线与圆弧线的组合线形，局部采用小半径圆弧线进行过渡，主梁与拱圈过渡流畅，如图5所示。同时拱梁衔接处，拱脚腹板与主梁腹板采用整体大节点钢板，钢拱脚、钢主梁推力及弯矩传力明确。

1.3 考虑拱圈、主梁受力因素的主梁结构形式比选

1.3.1 两桥面系方案中拱圈应力情况[4]

采用钢桥面系方案，在使用阶段主拱最大压应力为165.3 MPa，发生在拱桥与边跨衔接处；最大拉应力为65.9 MPa，发生在主、副拱分叉处，主拱肋受力较为均匀，如图6所示。

图6 主拱使用阶段最大应力(单位：MPa)

用混凝土主梁及混凝土桥面板方案，主梁自重为钢主梁的5倍，拱圈应力中的压应力不满足规范要求，需考虑拱圈内灌注混凝土，在矩形拱圈截面四角位置处，钢管混凝土灌注施工难度大。

1.3.2 两桥面系方案中主纵梁应力情况

本桥采用三跨梁拱组合体系拱桥，系梁弯矩图如图7所示。

从图7看出，由于中跨系梁荷载已经通过吊杆传递至拱桥，中跨系梁类似单跨系杆拱桥较小，弯矩较小，主梁高度较小。但边跨，无吊杆位置处，特别是在主墩位置，上缘负弯矩较大，主墩墩顶位置受力类似于连续梁。

预应力混凝土主梁方案，中跨主梁通过吊杆将荷载传递至拱圈，中跨弯矩较小；边跨(特别是主墩顶)弯矩较大，所需主梁高度较大，且主梁上缘需要布置较大的预应力束抵消墩顶负弯矩，边、中跨主梁过渡及预应力锚固困难。

钢主梁桥面系方案钢材受压、拉性能基本相同，仅需墩顶处适当增大主梁高度，无须预应力体系，构造简单，边、中跨主梁受力及构造流畅。

本项目桥梁总体方案研究比较中，综合上述桥面系方案的外形景观流畅性、结构形式、受力性能、施工难度及桥面耐久性等因素，最终本项目设计中采用了钢主纵梁、钢桥面系结构形式。

2 桥梁施工及使用阶段整体计算分析

2.1 计算模型及结构验算控制标准

本桥总体静力分析采用MIDAS空间杆系有限元模型进行分析。主梁模型采用两侧系梁+钢桥面板梁单元，主拱模型采用双拱肋单元模型，吊杆、系杆采用桁架单元模[6]，全桥共离散成890个单元；主拱通过刚性连接与边跨钢箱梁连接，计算模型如图8所示。

图8 计算模型

施工及设计阶段相关结构强度及位移控制标准如下：

(1)Q345D钢材强度控制标准

全桥钢结构均采用Q345D钢材，其强度验算结果的控制标准如下表1：

表1 钢材强度设计值

(2)吊杆应力及应力幅控制标准

参照《公路斜拉桥设计细则》(D65-01-2007)3.4.1条规定，斜拉索在运营状态下的安全系数不得小于2.5，拉索的允许应力为：

[σ]≤0.4fpk=0.4×1860=744 MPa

应力幅：

Δσ≤200 MPa

(3)拱、梁扰度控制标准

针对拱桥规范没有做出具体规定，参照梁桥容许挠度取为1/600L，其中L为桥梁跨径。对于本桥，在活载作用下，各类构件其挠度允许值取如下：

主拱扰度限制 [s]=148000/ 600=246.7mm

钢纵梁扰度限制[s]=148000/ 600=246.7mm

2.2 施工阶段桥梁整体计算分析

本桥施工方法推荐采用先梁后拱支架施工方法，具体施工过程如下[5]：

表2 施工流程表

施工阶段最大受拉、受压应力包络图如图9所示，在施工阶段最大拉应力为118 MPa，发生在中跨支座位置的系梁上。最大压应力为127 MPa，发生在主跨拱肋与钢纵梁相接处(拱脚位置)。

图9 施工阶段应力包络图

2.3 使用阶段桥梁整体计算分析

2.3.1 拱圈使用阶段应力验算

在使用阶段,主拱最大压应力为165.3 MPa，发生在拱脚位置处；最大拉应力为65.9 MPa，发生在S10分叉处，如图10所示。主拱肋受力较为均匀，处于受压状态，小于表1中所列的钢材强度设计值。

图10 主拱使用阶段应力(包络图)

2.3.2 钢纵梁使用阶段应力验算

在使用阶段，钢系梁最大压应力为156.1 MPa，发生在中支座附近。最大拉应力为122.6 MPa，发生在中支座附近，如图11所示。钢系梁应力能满足强度要求[7，8]。

图11 钢纵梁使用阶段应力

3 曲线风撑构造设计及桥梁整体稳定性分析

本桥梁横桥向，全桥由双片拱圈组成，拱圈间距为35 m。双片拱圈间通过X形曲线风撑进行连接，如图12所示，以保证拱圈的横向稳定性。

图12 向阳路桥曲线风撑实景图

采用MIDAS 建立空间杆系有限元模型对全桥进行整体稳定分析，计算全桥的稳定特性。

按照引起主拱肋轴向压力最不利作用进行稳定性计算，所考虑的作用包括恒载、二期恒载、温度影响力(升温)和吊杆力和系杆力、活载(人群+车道荷载)(使拱顶产生最大轴力的加载布置)[9]。屈曲分析得到前3阶临界荷载系数见表2，第1～3阶失稳模态，如图13所示。

表2 临界荷载系数

考虑恒载、二期恒载、升温、吊杆力和系杆力、活载(使拱顶产生最大轴力的加载布置)进行屈曲分析，得到最小临界荷载系数为12.26，满足规范要求[10]。

4 结 论

上飞燕式梁拱组合体系钢箱拱桥结构新颖，拱圈遒劲有力，造型优美；桥梁结构综合拱桥和梁桥受力优点，发挥各自优势，体系组合结构合理性。

本文首先针对该桥型总体方案中桥面系结构形式进行比选，综合构造设计、桥梁受力、景观及施工难度等因素，确定该桥型采用正交异性钢桥面板的合理性。

同时通过对结构的综合研究和计算分析，研究了颍河向阳路大桥的总体受力性能，分析了结构在施工过程、使用过程中的结构受力状况，通过计算分析看出：

(1)在施工阶段最大拉应力为118 MPa，发生在中跨支座位置的系梁上，最大压应力为127 MPa，发生在主跨拱肋与钢纵梁相接处(拱脚位置)。

(2)在使用阶段，主拱最大应力为165.3 MPa，发生在拱脚位置处。

(3)在使用阶段，钢系梁最大压应力为156.1 MPa，发生在中支座附近，桥梁结构各构件应力满足规范要求，在各构件结构验算控制标准范围内。

最后针对曲线风撑，考虑恒载、二期恒载、升温、吊杆力、活载(使拱顶产生最大轴力的加载布置)进行屈曲分析，得到最小临界荷载系数为12.26，桥梁整体稳定性满足规范要求。