艾溪湖大橋主橋設(shè)計

歐陽錦，曾天寶

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院，江西南昌 330038）

1 工程概述

艾溪湖大橋是南昌市“三環(huán)十一射”路網(wǎng)骨架中主要放射性道路北京路——紫陽大道上重要的城市橋梁，工程線位總體為東西走向，西起北京東路，東接紫陽大道，橫跨艾溪湖，為艾溪湖片區(qū)重要的景觀水域，對橋型景觀要求較高。

主橋為30 m+108 m+30 m三跨連續(xù)外傾式四索面下承式鋼箱系桿拱橋，以對稱傾斜拱結(jié)構(gòu)與橋外伸出的半圓人行道等相對，寓意“張開雙臂、擁抱藍(lán)天”，也預(yù)示南昌市美好的未來與日同輝。108 m主跨的車行道與人行道之間設(shè)計寬7 m的鏤空段，既可為人、車之間分離提供安全保障，減小車輛對行人觀景的影響，又可使游人通過鏤空段觀看到湖水水面，別有一番風(fēng)味。

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.1 橋型結(jié)構(gòu)布置

（1）主橋總長168m，全橋處在R=10 000 m的豎曲線內(nèi)。橋?qū)?1～73m，橋面縱坡0.5%。

（2）上部結(jié)構(gòu)為跨徑（30+108+30）m三跨連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，中跨主體為外傾式四索面下承式鋼箱系桿拱橋（見圖1、圖2）。

圖1 艾溪湖大橋景觀效果圖

圖2 艾溪湖大橋立面圖（單位：cm）

2.2 荷載標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1可變荷載

汽車活載：公路—Ⅰ級（雙向6車道）。

人群荷載：3.1 kN/m2。

風(fēng)荷載：50 a一遇設(shè)計基本風(fēng)速27.2 m/s。

體系溫度：設(shè)計合攏溫度為5℃～25℃，推薦合攏溫度為15℃。極限最高氣溫為43.2℃，極限最低氣溫為-9.9℃。

日照溫差：溫差效應(yīng)遵照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》。

2.2.2偶然荷載（地震荷載）

抗震設(shè)防烈度為7度。設(shè)計基本地震加速度值為0.1 g，設(shè)計特征周期為0.35 s。場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 拱肋

拱肋豎向為疊拱形式，下層主拱肋為受力拱，上層副拱肋為裝飾拱，兩拱間以聯(lián)系件連接。拱肋為矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱平面向外傾斜比例1∶3，主拱圈在豎直平面內(nèi)的投影高度為39 m，裝飾拱圈在最高點比主拱圈高7 m。拱肋中心線采用拋物線，主拱肋方程：Z=-0.014 098X2+41.109 610，裝飾拱肋方程：Z=-0.017 262X2+48.488 258。主拱肋及裝飾拱肋橫截面均為變截面。主拱肋寬自拱冠至拱底由1.5 m至2.5 m線性變化，截面高度自拱冠至拱底由1.3 m至2.0 m按拱軸線水平投影方向線性變化，截面四邊壁厚相等，壁厚40 mm。裝飾拱平面傾斜同主拱圈，在豎向平面內(nèi)的投影高度為46 m，截面寬度同主拱寬度變化，截面高度均為1.2 m，截面四邊壁厚相等，壁厚14 mm。

拱腳中心距離道路中心線18.5m。拱腳底與鋼箱梁頂面齊平并由高強(qiáng)螺栓連接在墩頂中橫梁上。

拱肋內(nèi)設(shè)鋼板加勁肋。拱肋外露面采用裝飾涂料，顏色采用突出江西革命文化特色的中國紅涂刷涂料前必須對拱肋表面進(jìn)行除銹處理，以保證涂料的耐久性。

3.2 鋼箱主梁

橋面系為三跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，中跨108 m，主跨橫向由三個鋼箱組成，即中間為車行道鋼箱、兩側(cè)為人行道鋼箱。車行道鋼箱與人行道鋼箱間通過鏤空梁連接。鋼箱梁底面無橫坡，頂面橫坡與道路一致。車行道鋼箱梁高度由道路設(shè)計中心線處2 m漸變到車行道邊線位置的1.59 m，人行道鋼箱梁高度為1.59 m，頂、底面平行。

中跨車行道鋼箱有五道縱向腹板，分別在道路中心線及距中心線9.92 m、20.5 m位置，厚度為14 mm；人行道鋼箱縱向腹板設(shè)置于人行道內(nèi)外邊線位置。邊跨車行道縱向腹板有九道，間距4.96～5.62 m。

除在中墩拱腳及邊墩支座位置設(shè)置橫梁外，順橋向每3.5～4 m設(shè)置一道橫梁，橫梁腹板厚度14 mm。

鋼箱梁頂板采用帶U肋的正交異性板結(jié)構(gòu)，頂板厚度為16 mm，根據(jù)受力需要，局部頂板加厚至30 mm；U肋為梯形閉口肋，用8 mm厚的鋼板冷彎成形，所有U肋均穿過橫肋。鋼箱梁底板采用帶平鋼板肋的正交異性板結(jié)構(gòu)，底板厚14 mm，根據(jù)受力需要，底板局部加厚至30 mm，平鋼板肋由14 mm厚鋼板焊接成型（見圖3）。

圖3 1/2箱梁構(gòu)造圖（單位：mm）

3.3 吊桿

吊桿采用防腐平行鋼絲束成品索，為φ5mm高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 670 MPa，規(guī)格為φ5-19和φ5-91兩種，其中φ5-19為42根，φ5-91為50根，全橋共92根。吊桿外部采用雙層HDPE防護(hù)，HDPE材質(zhì)應(yīng)具有良好的抗老化性能。鋼絲束間需灌注專用防腐油脂。

吊桿上部與拱肋的連接端采用叉耳式構(gòu)造。下部與鋼箱梁連接端采用冷鑄墩頭錨具，并要求配可偏擺的球鉸裝置、有效的防水結(jié)構(gòu)及索體防腐、專用油脂密封防腐構(gòu)造。

3.4 系桿

在主跨車行道鋼梁內(nèi)、拱腳處布置有4組用于平衡拱腳水平推力的系桿，系桿均采用環(huán)氧噴涂非集束鋼絞線形式。每個拱側(cè)各有2組，每組47根鋼絞線。鋼絞線在鋼梁內(nèi)順橋方向曲線布置，線型與道路線型相同，以每2道橫隔梁位置設(shè)穿孔式轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)曲線布置。由于采用非集束形式布置，要求每根鋼絞線均設(shè)置外擠PE，每組鋼絞線外再增設(shè)PE防護(hù)套。鋼絞線采用單根雙向張拉工藝，錨墊板下設(shè)置糾偏裝置，錨頭防護(hù)參照可換式鋼絞線系桿的保護(hù)罩構(gòu)造。

3.5 下部結(jié)構(gòu)

主橋橋墩采用鋼筋混凝土方形柱身、鋼筋混凝土承臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，一個主墩以道路中心線為界分成左右兩個橋墩，每個橋墩有2個2.5 m×2.0 m方柱組成，2個方柱下設(shè)承臺，承臺下為雙排8根φ1.5 m樁基，承臺厚度2.0 m，樁基均為嵌巖樁，進(jìn)入弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖3.5 m。

4 計算分析

4.1 計算模型

靜力分析程序采用有限元分析程序MIDAS CIVIL2006進(jìn)行計算，主梁、主拱采用空間梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，全橋共采有1105個節(jié)點，52個索單元，1250個梁單元，302個邊界條件，32個施工階段，計算結(jié)構(gòu)離散見圖4。

圖4 計算結(jié)構(gòu)離散圖

4.2 計算結(jié)果分析

4.2.1 靜力計算

（1）拱腳軸向壓力：拱腳最大軸向壓力18 542.2 kN。

（2）主拱圈

主拱圈最大彎矩為10 476.1 kN·m，主拱單元最大壓應(yīng)力144.96 MPa，最大拉應(yīng)力67.2MPa。

（3）主梁

主跨拱側(cè)主梁最大拉應(yīng)力32.7 MPa，最大壓應(yīng)力52.8 MPa；中縱梁最大拉應(yīng)力30.2 MPa，最大壓應(yīng)力36.2 MPa；中主梁最大拉應(yīng)力28.5 MPa，最大壓應(yīng)力27.3 MPa。

（4）吊桿

主拱內(nèi)側(cè)吊桿最大拉力995.7 kN。拱外側(cè)吊桿最大拉力123.5 kN。吊桿安全系數(shù)大于3。

（5）系桿

拱一側(cè)系桿最大軸力2×4 000 kN，應(yīng)力為304 MPa。

（6）人行道縱梁

人行道縱梁最大拉應(yīng)力38.14 MPa，最大壓應(yīng)力19.96 MPa。

4.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用通用程序MIDAS CIVIL2006進(jìn)行分析?？紤]壓桿的幾何剛度，計算拱圈的拱冠、四分點和八分點處的平面內(nèi)和平面外位移。主拱失穩(wěn)安全系數(shù)21。

5 結(jié)論

（1）外傾式四索面下承式鋼箱系桿拱橋結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀，受力合理，充分發(fā)揮了拱受壓、索受拉的受力特點，減小了主梁的彎矩和應(yīng)力，在100～200m跨徑有較大的競爭了，特別適用于景觀水域。

（2）外傾式四索面下承式鋼箱系桿拱橋結(jié)構(gòu)可以采用平面桿系軟件計算，但是由于拱肋外傾和鋼箱梁剪力滯效應(yīng)的影響，應(yīng)采用空間模型對主拱的應(yīng)力、整體穩(wěn)定性和主梁應(yīng)力進(jìn)行分析。

（3）計算結(jié)果驗證了本橋的方案時可行的，是符合景觀水域的較好方案。

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