广州从化大桥136m拱梁组合结构设计与分析

2021-11-15王鹏

城市道桥与防洪 2021年10期

关键词：钢束全桥吊杆

王鹏

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060）

1 工程概况

广州市从化区修建的从化大桥，设计速度达到60km/h，采取双向6车道的形式，两侧设置人行道和非机动车道。在主桥的设计结构中，选用了单跨136m下承式倒三角钢管拱梁组合桥。

从化大桥以“流溪映月”为设计构思，有着独特的造型设计，所采用的拱肋结构，外观新颖简洁，十分美观，就像是皎洁的明月（见图1）。桥上3根圆管组成的主拱支撑着全桥重量，拱肋间的联结构件造型，体现了技术与艺术的完美结合。

图1 从化大桥实景图

2 结构构造

2.1 拱圈

拱圈由3根钢管构成，呈现为倒三角形的构造，采用斜撑、横撑的方式组成，造型十分新颖独特，其断面图见图2。

图2 拱圈横断面图（单位：cm）

主拱拱肋直径1.8m，壁厚26mm，在拱内灌注C50微膨胀混凝土。在拱肋节段内部，沿着水平轴向设置环形加劲板，每间隔3m设置2道。加劲板均竖向设置，其位置与横撑腹板位置对应，加劲板厚16mm。在主拱肋内部，沿着圆弧方向设置纵向加劲肋，每间隔45°设置1道，其中，板宽达到160mm，厚度为16mm。

副拱拱肋壁厚为22mm，直径为1.5m。在拱内，灌注C50微膨胀混凝土。在副拱拱肋内部，沿着水平轴向设置环形加劲板，每间隔3m设置2道。加劲板均竖向设置，其位置与斜撑腹板位置对应，加劲板厚16mm。在副拱肋内部，沿着圆弧方向设置纵向加劲肋，每间隔60°设置1道，其中，板宽达到160mm，厚度为16mm。

从跨中断面起，在主、副拱肋之间设置斜撑，间距为3m，共37对。斜撑为矩形断面。在节点位置处，斜撑的截面尺寸达到60cm×50cm，其中，顶板厚16mm，腹板厚达到16mm。在2片副拱拱肋之间，采用对称方式设置横撑，间距为3m，共计设置37道。横撑采用矩形断面，截面尺寸与斜撑相同。

2.2 主梁

主梁为预应力混凝土箱梁结构，具有等高度的特点，整体式断面。吊杆处主梁顶板全宽40m，宽跨比为1∶3.5；梁高3.5m，高跨比为1∶38.8，高宽比为1∶11.1。

通常情况下，主梁应用单箱多室鱼腹式断面，吊杆处箱梁顶板宽达到40m，而无吊杆处箱梁顶板宽达到37.8m，厚度为0.28m，横向设置双向2.0%的横坡。箱梁底板平直段宽17.432m，利用1条圆弧线将边腹板与底板连接起来，圆弧半径为20.0m，底板厚0.22m。对于中腹板来说，指的是拱肋锚固区以及系杆布置区，因此，边腹板厚度为0.6m，中腹板厚度为0.9m。在与吊杆相对应的位置处设置横隔梁，每间隔6m设置1道，横隔梁厚0.2m。横隔梁之间3m间距处加设1道厚度为0.16m的小横隔梁。

主梁横断面图见图3。

图3 主梁横断面图（单位：cm）

在对箱梁进行设计的过程中，采用了纵、横双向预应力设计方式。纵向预应力采用22ϕs15.2预应力钢绞线。桥面板横向设置预应力钢束，每间隔0.5m设置1根，靠近吊杆两侧为5ϕs15.2钢束，远离吊杆处配置4ϕs15.2钢束。有斜吊杆段横隔梁横向配置2根4ϕs15.2和4根5ϕs15.2钢束，无斜吊杆段横隔梁配置2根5ϕs15.2和2根9ϕs15.2钢束。端横梁4m范围内间隔0.4m配置预应力钢束，顶板配置11根5ϕs15.2钢束，底板配置7根4ϕs15.2钢束。

2.3 吊杆

主拱设置的吊杆共计为19根，副拱共设13对吊杆，基于吊杆索体考虑，选用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。对于主拱吊杆索体来说，规格达到PES（FD）7-187，每个拉索均由187根ϕ7mm镀锌高强度低松驰预应力钢丝组成。对于副拱吊杆索体来说，其规格达到PES（FD）7-73，每个拉索均由73根ϕ7mm镀锌高强度低松驰预应力钢丝组成。吊杆顺桥向间距为6m，在主梁与主拱拱肋内锚固，分别为张拉端与固定端。

3 分析模型

由于本桥结构型式特殊，必须采用空间有限元分析软件对全桥结构进行分析。在进行计算时，应用了Midas/Civil软件，结构计算参考设计图纸的内容，以国家设计规范作为计算参数的标准依据。主梁采用空间梁格模拟[1]，将主梁划分为5片纵梁和若干横梁[2]。拱肋以及横向连接杆件采取梁单元模拟的方式，拱肋采用钢管混凝土材料。吊杆的分析则选用了桁架单元模拟方法。全桥共划分为1326个单元，724个节点[3]。全桥三维实体计算模型见图4。

图4 全桥三维实体计算模型

施工过程为：先施工主墩、主梁，再安装拱肋及吊杆；然后调整吊杆力，拆除满堂支架；最后开展一些附属工程，包括人行道以及铺装施工桥面等。

4 计算结果分析

4.1 静力分析

4.1.1 主梁计算结果

主梁按全预应力构件设计，在长期效应组合主梁中，截面上缘所产生的最小正应力达到了-2.95MPa，截面下缘则达到了-3.53MPa，各个截面均未产生拉应力的现象。在短期效应组合主梁中，截面上缘所产生的最小正应力达到了-1.18MPa，截面下缘则达到了-0.46MPa，各个截面均未产生拉应力的现象。短期效应组合下，纵向主梁截面混凝土的主拉应力为1.01MPa。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）（以下简称桥规），主梁的主拉应力应不大于0.40ftk=0.4×2.65=1.06MPa（式中ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值），因此满足《桥规》要求。最大主拉应力出现在中间主梁与拱肋相交的位置，该位置应力失真，其余各截面主拉应力均较小。

根据计算结果，主梁活载最大挠度值为18.7mm。根据《桥规》，主梁在活载作用下的挠度应不超过计算跨径的1/600×L=220mm，因此满足《桥规》要求。

4.1.2 拱肋及横、斜撑计算结果

拱肋按钢管混凝土相关规范进行承载能力极限状态及持久状况正常使用极限状态验算。分别选取主拱及副拱拱顶、拱座以及弯矩最大截面进行验算。拱肋按钢管混凝土单圆管偏心受压构件计算。拱肋强度计算结果见表1。

表1 拱肋强度计算结果

由于计算模型是适当简化的，实际拱肋在主梁拱座上就已经截止，去除拱脚应力失真截面，其余截面最大应力为-164.83MPa。横撑最大应力为-46.59MPa，斜撑最大应力为152.88MPa。根据相关规范，钢结构的应力应不大于0.8fy（式中fy为钢材强度标准值）。本桥钢结构采用Q345钢材，根据计算，其应力应不大于260MPa，因此满足（《钢管混凝土拱桥技术规范》（GB50923—2013）要求。

4.1.3 吊杆计算结果

根据规范要求，吊杆的安全系数应不小于3。主拱吊杆的抗拉强度为12018kN。主拱吊杆内力计算结果见表2。