景观钢箱圆弧拱桥设计与静动力分析

甄玉杰，王 腾，顾玮晔

（中建三局集团有限公司西北公司，陕西 西安 710065）

1 总体设计

1.1 总体布置

桥梁总长36.92 m，宽6.2 m，主梁面积228.9 m2。上部结构采用钢结构，跨径9.3 m+17.4 m+9.3 m。桥型总体布置图如图1 所示。本桥结构体系为三跨连续梁体系，上部钢结构与墩台采用支座连接。本桥技术标准为：人群荷载为3.47 kN/m2；车辆荷载为城-B级；地震设防烈度8 度，地震动峰值加速度为0.2g；桥梁设计基准期为100 a，设计安全等级为一级。

图1 桥型总体布置示意（单位：cm）

1.2 上部结构设计

本桥上部结构采用9.3 m+17.4 m+9.3 m 三跨钢箱拱桥。其中，结构受力主要由3 个600 mm×700 mm钢箱梁组成，钢箱梁之间采用横向肋板连接，全桥除支点采用封闭箱室外，其余部分均采用无底板的开放截面设计，有利于减轻梁体自重，降低工程造价。钢箱梁底板和腹板厚度14 mm，顶板12 mm，钢箱梁和桥面板加劲肋厚度14 mm，横隔板厚度12 mm。主桥主梁断面如图2 所示。

图2 桥梁主梁断面（单位：mm）

1.3 下部结构设计

桥墩采用钢筋混凝土盖梁柱式墩，盖梁高400 mm，墩柱断面尺寸为700 mm×700 mm，四边均做150 mm×150 mm 倒角，使截面形成八边形，同时在盖梁下方0.5 m 处设置一道300 mm×400 mm 系梁。

桥台采用钢筋混凝土结构，台帽尺寸为1.2 m×1.3 m×7.4 m，桥台设3 根钻孔灌注桩，桩基直径0.8 m。桩基础全部按摩擦桩设计。

1.4 建筑景观设计

主梁钢结构外侧布置木龙骨（厚50 mm，宽80 mm），间距1500 mm，饰面采用80 mm×80 mm 天然防腐硬实木菠萝格方条。桥墩外露处采用彩色硅酸盐水泥仿石材表面。栏杆采用天然防腐硬木（红色氟碳漆）。桥梁景观效果图如图3 所示。

图3 桥梁景观效果图

2 结构模型

对桥梁设计来说，选择与建立最合适的模型，以及选择最合适的分析类型，本身就是一项技术性与艺术性相结合的工作[1]。

主桥采用三跨钢箱景观圆弧拱桥，跨径布置为9.3 m+17.4 m+9.3 m。全桥共分为189 个节点、316 个单元，其中梁单元244 个、板单元72 个。结构有限元模型如图4 所示。

图4 结构有限元模型示意

3 结构计算分析

3.1 桥墩计算结果

经计算分析表明，在承载能力极限状态下，作用效应的组合设计最大值均小于构件承载力设计值，桥墩的抗弯、抗剪、抗扭承载力均满足规范要求。

在正常使用极限状态下，桥墩最大压应力为-1.55 MPa，无拉应力，全截面处于受压状态。桥墩顶底缘压应力均满足规范要求。

3.2 刚度计算结果

钢箱梁在活载作用下，竖向正挠度为18.55 mm，竖向负挠度为2.99 mm。汽车荷载作用下，主梁竖向计算正负挠度之和为21.54 mm，挠跨比为1/808，＜1/500，主梁刚度满足规范要求[2]。活载作用下，钢箱梁水平位移约7 mm，故本桥受力近似于梁式桥，水平推力很小。

3.3 钢箱梁计算结果

钢箱梁在运营阶段最不利组合作用下的应力如图5 所示。

图5 钢箱梁下缘组合应力包络图(单位:MP a）

在运营阶段最不利组合作用下，钢箱梁上缘最大组合应力为-68.3 MPa，下缘最大组合应力为178.5MPa。以上应力均小于容许应力，满足规范要求。

4 稳定性计算

成桥运营阶段，稳定性计算利用移动荷载追踪器选取活载最不利的工况进行分析，考虑恒载、活载和风荷载作为屈曲荷载。

成桥运营阶段前，三阶屈曲模态和稳定系数见表1。

表1 运营阶段稳定系数和屈曲模态

结构一阶稳定系数为89.4，满足规范要求。这说明结构的静力稳定性是有保证的。

5 地震反应分析

5.1 自振特性分析

桥梁自振特性分析是研究桥梁振动问题的基础。为了计算地震作用下结构的动力响应，必须首先计算桥梁结构的自振特性[3]。根据建立的动力计算模型，进行了结构自振特性分析，结构的自振频率和振型特征见表2。

表2 成桥状态自振频率及振型一览表

5.2 抗震反应分析

结构抗震分析采用反应谱方法。反应谱方法将动力问题静力化，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值[4-5]。

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阻尼是结构非常重要的动力特性[6]，对于钢结构桥梁，结构的阻尼比可取0.02。

根据工程地质勘察报告，该桥地震动峰值加速度为0.2g，基本烈度为8 度，场地类别为Ⅱ类，分区特征周期为0.4 s。

抗震分析采用多振型反应谱法，地震反应谱曲线如图6 所示。

图6 地震反应谱曲线

地震荷载组合采用SRSS 法，纵向和横向地震作用计算时分别考虑65%的竖向作用。

根据公路桥梁抗震设计规范，E1 地震作用下，桥梁结构处于弹性状态，计算采用轴力- 弯矩- 曲率曲线中的首次屈服弯矩进行控制。若E1 地震作用下塑性铰区的弯矩小于首次屈服弯矩，就认为桥梁结构处于弹性状态。

E1 地震作用下，桥墩纵向弯矩见表3。

表3 地震作用下桥墩最大弯矩 单位：kN·m

为了得到桥墩截面的首次屈服弯矩，需要绘制弯矩曲率曲线，混凝土材料采用mander 模型，钢筋采用双折线模型。以2 号桥墩为例，得到截面弯矩曲率曲线，如图7 所示。

图7 桥墩截面弯矩曲率曲线

由以上可见，在E1、E2 地震作用下，桥墩均处于弹性状态。弹性抗震设计，用构件的强度作为衡量结构性能的指标，只需校核构件的强度是否满足要求。经验算，桥墩单元强度验算满足规范要求。

6 结语

本文以三跨钢箱景观圆弧拱桥为例，介绍了桥梁总体布置、上下部结构设计、建筑景观设计。为验证结构设计的合理性，利用大型有限元软件对桥梁结构进行了静力、稳定、特征值计算分析和两阶段抗震设计分析。

（1）主桥结构的刚度、强度、稳定性均满足规范要求。

（2）在E1、E2 地震作用下，采用弯矩曲率曲线进行验算，结构均处于弹性状态，截面抗弯强度满足要求。

（3）通过对该桥的设计、静力、动力计算的介绍，可为同类景观圆弧拱桥的设计提供借鉴和参考。