某跨河连续钢箱梁下承式拱桥结构设计

罗松涛，邓淑飞，赵志刚

（云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

近年来，随着我国城镇化进程的不断加快，国家进一步加大了对基础设施建设的投入，有力地促进了市政桥梁建设的发展。钢箱梁自重轻、节约材料、安装工艺简单、便于养护维修、整体稳定性好，近年来在我国得到了快速发展，此外，钢箱梁一般不会出现局部破坏，在钢材抗拉、抗压、抗剪性能方面表现突出，受力性能和工作性能较好，发展前景广阔［1］。本文通过Midas Civil空间梁单元建模，对某跨河连续钢箱梁下承式拱桥的结构变形、应力、抗倾覆、稳定性等多方面进行计算分析。

1 工程概况

本项目某跨河连续钢箱梁下承式拱桥所跨河道常水位规划标高8.0 m，河岸两侧设置有绿道，拟建桥位与路线正交，跨径布置为19 m+40 m+19 m。本桥方案采用连续钢箱梁桥，中跨为梁拱组合结构（两边拱为装饰拱），下承式拱桥，桥长83 m，交角为90°，桥梁下部结构采用柱式墩、薄壁台、桩基础，桥台全宽为32 m，桥墩为双柱墩［2］。本桥总体布置如图1，图2所示。

图1 桥型立面图

图2 桥梁典型横断面图

2 上部结构设计

2.1 钢箱梁

主梁采用单箱六室断面，桥面全宽32 m，单侧悬臂长6.65 m，横向设置6个箱室，钢主梁中心线处梁高1.3 m，梁顶面设双向1.5%横坡，均采用Q345qD材质［3］。

1）顶板。

纵梁顶板采用正交异性钢桥面板，由桥面板纵肋、横隔板及桥面板组成。根据受力需要，顶板采用16 mm厚度，桥墩处拱梁结合段局部加厚到20 mm。顶板根据受力需要设置在中间4个箱室范围设置U肋，其余两侧设置板肋。U肋厚度8 mm，高280 mm，上口宽300 m，下口宽170 m，横向标准间距600 m。板肋厚度14 mm，高140 mm，标准间距300 mm，400 mm。

2）底板。

根据受力需要，纵梁底板在桥墩处拱梁结合段局部加厚到20 mm，其余段落底板厚14 mm，具体构造详见图纸部分。底板设置板肋，板肋厚度14 mm，高140 mm，标准间距400 mm。

3）腹板。

边腹板厚度为14 mm，在桥墩处拱梁结合段局部加厚到20 mm。腹板设置两道板肋，纵向板肋距顶底板距离均为320 mm左右，板肋宽度14 mm，高140 mm。

4）横隔板。

横隔板基本间距2.0 m，标准板厚12 mm，拱梁结合处根据受力需要板厚设为20 mm。

桥面铺装层采用8 cm钢纤维混凝土+10 cm沥青混凝土，桥面铺装层总厚度为18 cm，行车道桥面两侧设置钢护栏，人行道侧设置不锈钢护栏。钢箱梁标准断面见图3。

图3 1/2钢箱梁标准横断面

2.2 主拱肋

拱肋采用单箱单室等截面钢箱拱，截面宽度为1.2 m，截面高度为1.0 m。拱轴线在拱肋平面内为圆曲线，计算跨径39.743 4 m，计算矢高为8.782 9 m，计算矢跨比4.525 1。

钢拱肋截面厚度为20 mm，拱圈内部均采用Ⅰ型加劲肋，加劲肋高度为140 mm，钢板厚度为16 mm。拱箱内，顺桥向每隔0.75 m～1.4 m左右设置一道横隔板，横隔板平面与拱轴线垂直，常规段隔板厚度为12 mm，吊点位置厚度48 mm，常规段隔板中心采用挖空处理，便于后期检修人员出入，吊点处横隔板不挖空。挖空孔洞边缘采用宽200 mm、厚度10 mm的钢板包裹一圈进行加劲处理。在吊杆处另外设置吊杆加劲隔板，与吊杆轴线方向一致。

拱肋共分为7个节段，节段在工厂分段制造，安装时采用焊接的连接方式。

主拱拱脚受力复杂，为保证结构安全，主拱拱脚与主梁端部作为一个整体设计，将主梁中箱腹板伸出梁体设计为节点板，充当主拱拱脚箱体的腹板。

2.3 下部结构设计

桥梁下构型式采用柱式墩、一字台、桩基础，桥台全宽为32 m，桥台背墙宽0.5 m，台后设2.5 m长桥台侧墙，侧墙宽0.5 m。桥墩为双柱墩，墩身直径由1.6 m按圆曲线渐变为3.6 m。

桥台采用承台+群桩基础，单个桥台设置两排共计12根1.2 m桩基础，桩长为26 m。桥墩采用承台+桩基础，单个桥墩共设置12根1.8 m桩基础，桩长为38 m。

3 结构计算

3.1 主要计算参数

3.1.1 技术标准

1）设计荷载等级：城市-A级。

2）桥涵结构设计基准期：100 a。

3）桥梁设计安全等级：重要等级Ⅰ级，结构重要性系数γ0=1.1［4-5］。

3.1.2 荷载取值

1）恒荷载。

a.一期恒载：

一期恒载包括主梁自重，钢材密度7 850 kg/m3，由程序自动计算其自重。

b.二期恒载：

二期恒载为人行道、人行道护栏、防撞护栏、18 cm桥面铺装（8 cm钢纤维+10 cm沥青）及声屏障等，分别加载至钢箱梁和调臂上。

2）温度作用（见图4）。

图4 正、负温差示意图

a.正温度梯度：按BS5400取值；正温差：T1=24℃；h1=0.1 m，T2=14℃；h2=0.2 m，T3=8℃；h3=0.3 m，T4=4℃。

b.负温度梯度：按BS5400取值；负温差：h1=0.5 m，T2=6℃。

c.整体温度：取整体升温30℃，整体降温30℃。

3）活载。

汽车、人群与非机动车道荷载按CJJ 11—2011城市桥梁设计规范（2019年版）取用。

4）支座沉降。

支座沉降量按5 mm计算，程序自动组合最不利情形。

5）风荷载。

按照JTG/T 3360-01—2018公路桥梁抗风设计规范计算，主梁风荷载为3 kN/m，主拱风荷载为5 kN/m。

3.2 计算模型

采用Midas Civil空间梁单元建模，单元数774，节点数796，拱肋与钢箱梁采用刚性连接，支座节点与主梁对应节点之间刚性连接，并采用弹性连接模拟支座，单梁整体模型见图5。

图5 单梁计算模型

3.3 结构变形

根据《公路钢结构桥梁设计规范》［6］第4.2.3条，在不计冲击力的汽车车道荷载频遇值（频遇系数为1.0），计算挠度值不应超过l/500。

如图6所示，各跨在不计冲击力的汽车车道荷载频遇值作用下最大竖向挠度为3 mm，最小挠度为-5 mm，刚度为1/5 000；满足规范要求。

图6 汽车荷载频遇值作用最小挠度

3.4 钢箱梁应力

3.4.1 钢箱梁第一体系应力

1）整体计算模型下，考虑结构重要性系数r0=1.1，按基本组合提取钢箱梁各部位最大、最小应力值见表1。

表1 整体计算模型下钢箱梁应力

由表1可知，基本组合作用下，钢箱梁最大计算正应力为78.5 MPa，小于Q345qD钢材抗弯强度设计值270 MPa；钢箱梁最大剪应力62.8 MPa，小于Q345qD钢材抗剪强度设计值155 MPa，钢梁抗弯、抗剪强度满足规范要求。

2）截面正应力的修正。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》第5.1.7条相关条文，截面受压翼缘应考虑局部稳定影响；第5.1.8条，受拉或受压翼缘应考虑剪力滞效应的影响。主要计算成果如下：

对受拉加劲板考虑剪力滞影响，对受压板同时考虑局部稳定影响、剪力滞影响。为方便计算，偏安全地，某一截面处局部稳定折减系数、剪力滞折减系数取顶、底板计算结果中的较小值作为顶、底板的折减系数；此时，截面中性轴位置可近似视为不变。对两边跨、中跨跨中及两中支点处进行修正，结果如表2所示。

表2 钢箱梁上缘、下缘修正应力表

3）腹板正应力与剪应力共同作用。

根据《公路钢结构桥梁设计规范》5.3.1条第4款，平面内受弯实腹板式构件腹板在正应力σx与剪应力τ共同作用时，应满足

近似取腹板最大正应力为130.0 MPa，剪应力取为62.8 MPa，则：

3.4.2 钢箱梁第二体系应力

第二体系中，纵肋与桥面板支承于横隔板上，并将自重及外力传递给横隔板，横隔板间距即为纵肋的跨度。本桥采用桥面板格子梁法计算在恒载、汽车荷载作用下纵肋的最不利应力，作为正交异性桥面板的第二体系应力，模型详见图7，图8。

图7 跨中附近格子梁法计算模型图

图8 支点附近格子梁法计算模型图

3.4.3 钢箱梁纵桥向总应力结果

钢箱梁顶板所受纵桥向正应力共分为两部分：第一体系应力（纵向计算应力）及第二体系应力（顶板纵肋计算应力），钢箱梁底板仅受第一体系应力，综合后钢箱梁所受应力如表3所示。

表3 钢箱梁上缘、下缘修正总应力表MPa

由表3可知，钢箱梁总应力计算满足规范要求。

3.5 拱肋应力

整体计算模型下，考虑结构重要性系数r0=1.1，按基本组合提取拱肋各部位最大、最小应力值如表4所示。

表4 整体计算模型下拱肋应力MPa

由表4可知，拱肋应力计算满足规范要求。

3.6 吊杆验算

由图9可知，基本组合作用下，单根吊杆最大内力984.7 kN，吊杆规格为GJ15-12，吊杆破断力为3 125 kN，安全系数3.17＞2.5，吊杆强度满足规范要求。

图9 基本组合下吊杆内力包络图

1）吊杆疲劳应力幅验算。

根据JTG D64—2015公路钢结构桥梁设计规范5.5.1，5.5.2，5.5.4条及附录C进行吊杆疲劳应力幅验算。

采用疲劳和在计算模型Ⅰ进行验算，σmax=34.9 N/mm2，σmin=0，Δσp=34.9 N/mm2，ΔσD=50 N/mm2。

2）耳板验算。

根据GB 50017—2017钢结构设计标准11.6.2条，连接耳板两侧边缘与销轴孔边缘净距b=200 mm，次耳板板厚t2=24 mm，be=2×24+16=64 mm≤b，顺受力方向，销轴孔边距板边缘距离a=200 mm≥4/3be=85.33 mm，满足构造要求。

根据GB 50017—2017钢结构设计标准11.6.3条，验算耳板抗拉及抗剪强度：

a.耳板孔净截面处的抗拉强度：

3.7 抗倾覆计算

根据计算，本桥基本组合作用下未出现负反力，抗倾覆稳定系数为4.68＞2.5，满足规范要求。

3.8 稳定计算

结合该桥的结构特点，对其进行稳定性分析，大桥一阶失稳模态如图10所示。

图10 一阶失稳模态拱肋面外失稳

大桥一阶失稳为拱肋外面失稳，临界荷载系数为126.9，大桥稳定性满足规范要求。

4 结语

本文介绍了一座19 m+40 m+19 m连续钢箱梁下承式拱桥，得出以下结论：1）本次钢箱梁第二体系应力采用格子梁法简化计算，该方式计算结果与经验值相近，具有一定的工程设计参考意义。2）通过对桥梁结构的有限元计算，表明在全桥施工阶段及运营阶段，该桥主梁、拱肋及吊杆受力均满足规范要求。