下承式钢箱系杆拱桥结构设计分析——以合肥市创新大道桥为例

杨洋，张浩

（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.交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 总体设计

主桥为单跨下承式斜靠钢箱系杆拱桥方案，跨径布置为140m。主桥采用双向十车道＋人行道及非机动车道，全宽70m，桥面布置为1.0m（检修道）＋2.5m（吊索区）＋3.5m（人行道）＋4.0m（非机动车道）＋0.5m（栏杆）＋2m（侧分带）＋0.5m（栏杆）＋19.5m（行车道）＋0.5m（栏杆）＋2m（中分带）＋0.5m（栏杆）＋19.5m（行车道）＋0.5m（栏杆）＋2m（侧分带）＋0.5m（栏杆）＋4.0m（非机动车道）＋3.5m（人行道）＋2.5m（吊索区）＋1.0m（检修道）。

拱圈及主纵梁均采用钢箱结构；桥面采用正交异性钢桥面板，沥青混凝土桥面铺装；下部结构采用承台＋群桩基础。

2 结构设计

2.1 拱肋设计

图1 创新大道桥主桥桥型布置图（单位：cm）

图2 创新大道桥效果图

主拱为五片钢箱拱，分别为一片中立拱、两片边立拱、两片斜拱，其中斜拱向内倾角度为15°。拱肋中心跨径为138m，立拱立面矢高为30m，斜拱斜平面矢高为31.2m。五片肋拱轴线均采用二次抛物线。

边立拱及中立拱拱肋截面采用矩形截面。宽1.6m，高2.4m，腹板伸出顶底板各30mm，通过不同板厚来适应不同区域的受力要求，腹板及顶底板厚度为20mm～28mm，拱肋纵向加劲肋采用板式加劲，间距为400mm，厚度为20mm。横向加劲肋与拱轴线垂直，板厚为14mm。吊杆处设横隔板，横隔板板厚为20mm～24mm。拱肋与钢系梁连接处采用整体节点板，板厚为32mm～36mm。

斜拱拱肋截面采用矩形截面。宽1.3m，高2.0m，腹板伸出顶底板各30mm，通过不同板厚来适应不同区域的受力要求，腹板及顶底板厚度为18mm～24mm，拱肋纵向加劲肋采用板式加劲，间距为400mm，厚度为18mm～20mm。横向加劲肋与拱轴线垂直，板厚为12mm。吊杆处设横隔板，横隔板板厚为20mm。拱肋与钢系梁连接处采用整体节点板，板厚为32mm。

相邻两片拱肋通过5道钢箱横向风撑连为一体。箱型风撑的外尺寸均为1.2m×1.2m，风撑顶底板及腹板厚度均为20mm。加劲肋为板式加劲，尺寸为14mm×160mm。

2.2 桥面系设计

图3 机动车桥面系

图4 非机动车桥面系

本桥机动车道的桥面系采用正交异性钢桥面板的结构形式。钢桥面板的厚度为16mm，横桥向与钢纵梁的连接采用高强螺栓进行栓接。钢桥面板横向由3根倒T型小纵梁支撑，小纵梁的梁高为800mm，间距为5.7m，腹板厚度为14mm，底板宽度为300mm，厚度为20mm。小纵梁之间设置U型加劲肋，U肋采用8mm钢板压制成的U形闭口肋，U肋顶宽 300mm，高280mm，底宽170mm，U肋的间距为600mm。

横梁为整板式的横隔板，横梁3.0m一道。横梁腹板厚度为16mm，端横梁加厚到24mm。底板厚度均为24mm，横梁设置纵向及竖向加劲肋，其中竖向加劲肋为14mm×150mm，纵向加劲肋为12mm×120mm。横梁与两端主系梁通过高强螺栓连接。

本桥非机动车道的桥面系采用正交异性钢桥面板结构形式。钢桥面板厚度为12mm，横桥向与钢纵梁的连接采用高强螺栓进行栓接。桥面板设置板式加劲肋，板式加劲肋宽120mm，厚12mm，间距为300mm～360mm。

横梁为整板式的横隔板，横梁3.0m一道。横梁腹板厚度为14mm，端横梁加厚到20mm。底板厚度均为20mm，横梁设置纵向及竖向加劲肋，其中竖向加劲肋为12mm×140mm，纵向加劲肋为12mm×120mm。横梁与两端主系梁通过高强螺栓连接。

2.3 钢纵梁

本桥钢纵梁采用刚性与柔性组合系杆，作为主受力结构承受拱圈产生的水平推力。

中立拱的钢系梁梁高2.89m，宽1.6m。钢纵梁的顶底板、腹板采用20mm～28mm厚钢板。钢系梁顶底板均采用板式加劲肋，加劲肋高度为200mm，厚20mm钢板焊接成。

边立拱的钢系梁梁高2.5m，宽1.6m。钢纵梁的顶底板、腹板采用20mm～28mm厚钢板。钢系梁顶底板均采用板式加劲肋，加劲肋高度为200mm，厚20mm钢板焊接成。

斜拱的钢系梁梁高2.35m，宽1.6m。钢纵梁的顶底板、腹板采用16mm～28mm厚钢板。钢系梁顶底板均采用板式加劲肋，加劲肋高度为200mm，厚20mm钢板焊接成。

中立拱钢系梁设置6根15.2－14的体外预应力钢绞线，边立拱钢系梁设置4根15.2－14的体外预应力钢绞线，斜拱钢系梁设置4根15.2－12的体外预应力钢绞线，组成了结构的柔性系杆体系。

3 施工方案

根据施工现场的条件以及本工程特点，本桥最终采用先梁后拱的施工方案。本桥采用的施工方案相对简单，符合施工现场条件，在一定程度上能够节约施工费用。

4 结构计算

4.1 主要技术参数

4.1.1 主要材料参数

桥面铺装采用8.0cm沥青混凝土，容重取24kN/m。

钢材：Es=2.1×105MPa。

预应力钢绞线：fpk=1860MPa，Ep=1.95×10MPa。

吊杆钢绞线：fpk=1860MPa，Ep=1.95×10MPa。

4.1.2 计算荷载

①恒载：结构一期恒载包括拱肋、钢纵梁、桥面系的自重；二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏、过桥管线等。

②活载：公路—Ⅰ级荷载，按双向10车道计算，考虑多车道折减，按照最不利组合。

③温度荷载：体系升温32.0℃，体系降温33.7℃。

4.2 静力计算

4.2.1 计算模型

本桥采用Midas软件建立空间杆系有限元模型进行静力分析。

桥面系采用纵横梁模型。吊杆、系杆采用桁架单元进行模拟，拱肋、钢纵梁采用梁单元进行模拟，全桥共离散成2180个单元。计算模型如图5所示。

图5 全桥计算模型

4.2.2 计算结果

临界荷载系数

经建模计算分析，在基本组合作用下，钢结构应力结果如下：拱肋上缘最大压应力为163MPa（如图6所示），拱肋下缘最大压应力为128MPa，纵梁上缘最大拉应力为75.3MPa，纵梁下缘最大拉应力为144.5MPa，均小于规范限值，满足规范要求。

图6 基本组合拱肋上缘应力

中立拱在活载作用下最大竖向下挠位移为-55.98mm；最大竖向上拱位移为41.28mm。中立拱系梁在活载作用下最大竖向下挠位移为-68.71mm；最大竖向上拱位移为36.02mm。

边立拱在活载作用下最大竖向下挠位移为-53.68mm；最大竖向上拱位移为43.06mm。边立拱系梁在活载作用下最大竖向下挠位移为-66.02mm；最大竖向上拱位移为38.33mm。

经验算位移均小于L/500，满足规范要求。

4.3 稳定分析

本桥采用Midas建立空间杆系有限元模型进行整体稳定分析。按照引起主拱肋拱顶轴向压力最不利作用进行稳定性分析，考虑的作用包括一期恒载、二期恒载、温度作用和吊杆力、系杆力、活载（人群+车道荷载）（按照影响现加载使拱顶产生最大轴力）。经过屈曲分析得到主拱肋前三阶临界荷载系数，如下表所示，从中可以看出，最小临界荷载系数为10.76，大于规范要求值（图7）。

图7 第一阶屈曲模态

5 结论

本文介绍了主跨140m的下承式钢箱系杆拱桥——创新大道桥的结构设计。在设计过程中通过合理的结构体系、适合的横断面布置，使桥梁结构受力简单明确，构造尺寸更为合理。通过对桥梁结构的静动力分析，结果表明桥梁在施工阶段和运营阶段下，其应力和位移均满足相关规范要求，可以为同类型桥梁的设计提供参考。