蘇州市金光橋主橋設(shè)計(jì)

趙清波,高 遠(yuǎn)

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市 300051)

蘇州市金光橋主橋設(shè)計(jì)

趙清波,高 遠(yuǎn)

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津市 300051)

著重介紹了蘇州市金光橋主橋100m的鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu),包括各部位桿件設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)防腐以及設(shè)計(jì)計(jì)算等內(nèi)容。

鋼桁架拱橋;總體設(shè)計(jì);防腐;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　工程概況

蘇州市金光橋位于蘇州市市區(qū)北部的相城中心區(qū)內(nèi)。相城中心區(qū)是蘇州的北部新城中心,位于蘇州城區(qū)向北拓展的中央主軸線上。該橋位于相城中心區(qū)的最西邊,橋梁跨越規(guī)劃的沈思港湖區(qū),湖水規(guī)劃水面高程1.2 m。金光橋規(guī)劃為城市主干道上面的橋梁,橋梁工程包括主橋、橋頭堡、引橋三部分。橋梁全長222.76 m,全寬40.5 m,全部橋梁面積9 021.8 m2。

主橋結(jié)構(gòu)采用跨徑為100 m的鋼桁架拱梁結(jié)構(gòu)。

引橋分為兩部分:橋頭堡處引橋和橋頭堡外側(cè)引橋。橋頭堡處引橋上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆實(shí)心板的結(jié)構(gòu)形式,下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土薄壁墻,墻體與橋頭堡連成整體;最外側(cè)引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu),兩側(cè)引橋跨徑均為2×26 m。

主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為40.5 m,橫向布置為: .25 m(人行道欄桿)+2.25 m(人行道)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.0 m(隔離護(hù)欄、拱肋)+0.5 m(路緣帶)+11.5 m(車行道)+0.5 m(中央分隔墩)+11.5 m車行道)+0.5 m(路緣帶)+2.0 m(隔離護(hù)欄、拱肋)+ .5 m(非機(jī)動(dòng)車道)+2.25 m(人行道)+0.25 m(人行道欄桿)。詳見圖1、圖2。

橋梁的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)道路等級:城市主干道;

(2)設(shè)計(jì)荷載:車輛荷載為城-A級,人群荷載為2.4 kPa;

(3)設(shè)計(jì)車道:雙向6車道;

(4)橋面橫坡:2%雙向坡;

(5)通航要求:設(shè)計(jì)通航水位1.2 m,通航凈空4 m;

(6)地震烈度:設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.7。

2　主橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋結(jié)構(gòu)采用跨徑為100 m的鋼桁架拱梁結(jié)構(gòu)。拱肋桁架上、下弦拱軸線分別采用不同的圓曲線,下拱肋構(gòu)矢高18.4 m,矢跨比1/5.4,拱頂桁架高度為3.5 m,上拱肋拱頂至橋面高度為16.1 m。主拱采用兩片平行的鋼桁架拱肋,橫橋向間距26.5 m,兩片拱肋之間用風(fēng)撐連接。拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力通過拱梁結(jié)合段傳至主縱梁內(nèi),水平拉力由主縱梁承擔(dān)。順橋向兩拱腳處一端設(shè)置固定支座,另一端設(shè)置滑動(dòng)支座,基礎(chǔ)底面不承受恒載、活載及溫度荷載產(chǎn)生的水平推力。

主橋結(jié)構(gòu)體系主要有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)結(jié)構(gòu)體系為無推力拱橋。通過釋放一側(cè)拱腳的水平約束,形成外部靜定的無推力拱梁組合體系,基礎(chǔ)不承受恒載、活載及溫度荷載產(chǎn)生的水平推力。

(2)主梁內(nèi)不設(shè)置水平拉索,結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單明確,施工方便、安全性好。

2.2主橋結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1主拱肋

主拱采用兩片平行的鋼桁架拱肋,橫橋向間距26.5 m,兩片拱肋之間用風(fēng)撐連接。桁架拱片由上、下弦桿和腹桿組成,上、下弦桿采用焊接箱型斷面,截面高1.0 m,寬1.0 m,正常段拱肋鋼板厚28 mm,加強(qiáng)段拱肋鋼板厚40 mm。中間腹桿采用焊接工字形斷面,截面高0.942 m,寬0.6 m,頂、底板厚16 mm,腹板厚10 mm;加強(qiáng)腹桿采用焊接箱型斷面,鋼板厚40 mm。上下弦桿節(jié)段間連接采用現(xiàn)場焊接,腹桿和上下弦桿之間采用焊接連接。

圖1　主橋立面圖(單位:mm)

圖2　主橋橫斷面圖(單位:mm)

2.2.2主縱梁

主縱梁采用焊接箱型斷面,高度2 m,寬度l m。吊桿下設(shè)橫梁,間距分為5 m和4.5 m兩種,橫梁高度為2～2.259 m。鋼橋面采用正交異性板橋面,縱橋向設(shè)小縱梁及U形加勁肋,橫橋向設(shè)置橫梁和橫肋。鋼主梁外側(cè)設(shè)置人行道挑臂,挑臂長度6.5 m。鋼梁之間及橋面全部采用焊接方式連接。

2.2.3吊桿

該橋共設(shè)吊桿30根,吊桿長度5.483～13.661 m,均采用焊接“H”形截面,截面高度400 mm,翼緣寬度600 mm。

2.3主橋施工順序

該橋由于先造橋、后開挖形成湖區(qū),因此主橋采用桿件運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場,由地面吊機(jī)吊裝,在滿堂支架上安裝。主橋施工工序如下:基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)施工完成后搭設(shè)支架;進(jìn)行主縱梁、橋面系和橋面以下拱肋、加強(qiáng)腹桿的拼裝;在橋面上搭設(shè)支架進(jìn)行拱肋、腹桿和平聯(lián)的拼裝,并在拱的中部進(jìn)行合攏;安裝吊桿并上、下端聯(lián)結(jié)后,拆除支架;最后進(jìn)行橋面工程施工。

3　鋼結(jié)構(gòu)防腐

對于該橋這樣一座重要、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的橋梁,考慮到橋梁的耐久性,對于主橋鋼結(jié)構(gòu)的防腐,應(yīng)從橋梁的防腐耐久性、維護(hù)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)要求等方面綜合進(jìn)行考慮。

鋼材銹蝕是一種自然現(xiàn)象,鋼結(jié)構(gòu)銹蝕到一定程度會(huì)危及結(jié)構(gòu)的安全使用。目前應(yīng)用比較廣泛的鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù),大致可劃分為兩類:其一是涂料防腐,其二是金屬防腐。涂料作為防腐涂層應(yīng)用有著悠久的歷史,優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)較低,但缺點(diǎn)也很明顯:涂料壽命短,反復(fù)涂裝不但增加了人的工作量而且也增加了后期維護(hù)費(fèi)用。金屬防腐雖然造價(jià)較高,但是耐腐蝕性好、使用壽命長,并且涂層與鋼板具有優(yōu)良的粘結(jié)力。

經(jīng)過綜合比較,該橋防腐體系采用電弧噴鋅鋁偽合金方案。根據(jù)電弧噴鋅鋁偽合金涂層對封閉涂層的要求,結(jié)合多種涂料的特性,決定采用乙烯基環(huán)氧封閉涂料、環(huán)氧云鐵中間漆和聚氨脂面漆配套的封閉涂層體系。鋼結(jié)構(gòu)外表面進(jìn)行噴涂鋅鋁偽合金和封閉涂層,內(nèi)表面采用噴涂鋅鋁鋅鋁偽合金和云鐵封孔漆。該橋防腐方案如表1所示。

表1　鋼結(jié)構(gòu)涂裝方案表

4　主橋結(jié)構(gòu)分析

4.1模型建立

整體結(jié)構(gòu)分析程序采用MIDAS Civil 2006。主橋拱肋上下弦、主縱梁、加強(qiáng)腹桿均采用焊接箱形斷面,其余腹桿、上下平聯(lián)、吊桿均采用“工”字形焊接截面,各截面均按實(shí)輸入,計(jì)算模型桁架桿件均采用梁單元,橋面板用板單元模擬。整個(gè)模型共有3 402個(gè)單元。

所有桿件自重以程序自動(dòng)計(jì)入,節(jié)點(diǎn)板及部分加勁重量以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量輸入,整體結(jié)構(gòu)分析模型見圖3。

圖3　結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

4.2應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型進(jìn)行計(jì)算,得到主橋的應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果(見表2)。

表2　各部位桿件成橋階段應(yīng)力表(單位:MPa)

從表2可知,各部位桿件的應(yīng)力均滿足現(xiàn)行《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 025-86) (以下簡稱《鋼橋規(guī)》)中關(guān)于鋼材的應(yīng)力要求,主橋整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

從表3中可以看出,恒載產(chǎn)生的最大撓度約為跨徑的1/1 585,活載產(chǎn)生的最大撓度約為跨徑的1/3 425,活載撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范中規(guī)定的1/800 L,結(jié)構(gòu)剛度滿足使用要求。

表3　撓度計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

4.3疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度均按受軸力和彎矩共同作用的受力類別計(jì)算,應(yīng)滿足《鋼橋規(guī)》表1.2.17-1:

假定各節(jié)點(diǎn)的螺栓連接可靠時(shí),只需驗(yàn)算“等寬等厚鋼板對接”,即《鋼橋規(guī)》表1.2.17-4類別5.1或6.2的情況,驗(yàn)算公式《鋼橋規(guī)》表1.2.17-2:

圖4　拱肋疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖5　吊桿疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖6　主縱梁疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4.4整體穩(wěn)定計(jì)算

利用上述空間模型,依據(jù)特征屈曲理論進(jìn)行空間穩(wěn)定分析,計(jì)算得到成橋恒載+滿布活載狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù),前4階屈曲穩(wěn)定系數(shù)見表4。

表4　整體穩(wěn)定分析結(jié)果

由以上表和圖的結(jié)果可知,該橋的整體穩(wěn)定性較好,完全滿足運(yùn)營階段的使用要求。

4.5桿件局部穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《鋼橋規(guī)》中關(guān)于總體穩(wěn)定性計(jì)算公式,對于受壓并在一個(gè)主平面內(nèi)受彎曲的構(gòu)件應(yīng)滿足:≤φ1「σ](1.2.16-3)。運(yùn)用Midas Civil的截面驗(yàn)算功能可對全橋各構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算,所有桿件局部穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)語

金光橋主橋造型優(yōu)雅莊重,拱曲線與周圍環(huán)境融合協(xié)調(diào),成橋后已成為當(dāng)?shù)匾惶庫n麗的風(fēng)景。

U442.5

B

1009-7716(2015)12-0045-03

2015-04-02

趙清波(1979-),男,黑龍江綏化人,高級工程師,從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。