邯鄲市趙王大街跨東湖和支漳河特大橋設(shè)計(jì)分析

陳海浪

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

近幾十年，我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速。斜拉橋由于受力性能好、跨越能力大、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，在大跨橋梁中被廣泛采用。為適應(yīng)美觀的需要，橋梁結(jié)構(gòu)造型各異，帶來了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力上的一些難題。因此，介紹此類大跨景觀斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對其計(jì)算分析，可為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，具有較大工程意義。

1 工程概況

邯鄲市趙王大街道路工程，北起趙王大街與媧皇路平交口，終點(diǎn)至趙王大街與人民路平交口，路線全長1.003 km。工程跨越東湖和支漳河，設(shè)特大橋一座，主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，跨徑組合為（165+200）m，橋梁寬度為47 m。該工程已于2017年完成施工圖設(shè)計(jì)（見圖1~圖3）。

圖1 橋梁效果圖

圖2 立面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

主橋采用（165+200）m斜塔空間扭索雙索面斜拉橋，為墩、塔、梁固結(jié)體系，過渡墩設(shè)置豎向支座。橋梁橫斷面布置為：2.5 m（人行道）+4.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（索區(qū)）+14.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+14.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.0 m（索區(qū)）+4.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（人行道），橋梁全寬 47.0 m（見圖 4）。

主梁采用混合梁，近橋塔區(qū)段采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其他大部分區(qū)段采用鋼箱梁，兩部分間設(shè)置鋼-混結(jié)合段。為平衡兩跨受力，邊跨87m區(qū)段設(shè)置鐵砂混凝土壓重。橋塔立面為X字型，橫橋向?yàn)楣靶嗡?。兩塔（主塔和輔塔）以12°相交（與鉛垂線夾角各為6°）。兩側(cè)各設(shè)置12對拉索，梁上拉索間距分別為15.0m(大跨側(cè))、12.0m（小跨側(cè)），拉索均錨固于主梁橫梁處錨拉板位置。

圖3 橫斷面布置圖（橋塔處）

圖4 橫斷面布置圖（典型斷面）

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1.1 混凝土主梁

主梁采用混合梁，橋梁分跨線34 m范圍內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁（不含兩側(cè)各3 m長鋼混結(jié)合段），材料標(biāo)號為C55混凝土。箱梁采用單箱六室結(jié)構(gòu)，全寬47 m，單側(cè)懸臂寬4.0 m，箱梁底板寬39 m。主梁中心處梁高3.34 m，塔梁固結(jié)段加高至4.34 m，雙向橫坡1.5%。標(biāo)準(zhǔn)段箱梁頂板厚30 cm，底板厚35 cm，腹板厚50 cm，塔跟附近頂?shù)装寰雍裰?0 cm，腹板加厚至1.0 m，塔梁固結(jié)處橫梁寬7.0 m，橫梁設(shè)置人孔。梁段配置縱向鋼束、橋面板鋼束、橫梁鋼束（見圖5、圖6）。

2.2.1.2 鋼主梁

圖5 混凝土主梁段立面構(gòu)造圖

圖6 混凝土箱梁典型構(gòu)造斷面圖

主梁除近橋塔段40 m區(qū)域外，其余區(qū)段均采用鋼箱梁。鋼箱梁截面外輪廓尺寸與混凝土箱梁基本相同，箱室底寬為39 m，兩側(cè)各伸臂4 m，鋼箱梁頂板全寬47.0 m。橋梁中心線處，主梁梁高3.34m左右（頂?shù)装鍍?nèi)緣距離固定為3 292.5 mm），橋面頂板設(shè)置雙向1.5%坡度。165 m邊跨鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為12 m，200 m主跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為15 m，全橋共23個(gè)節(jié)段，鋼箱梁現(xiàn)場除頂板U肋采用高強(qiáng)螺栓連接外，其余均采用焊接進(jìn)行節(jié)段連接。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)均采用Q345qD（見圖7）。

圖7 鋼箱梁典型構(gòu)造斷面圖

鋼箱梁的頂板兼做橋面承重結(jié)構(gòu)，按正交異性板設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)段板厚采用18 mm，受力較大區(qū)域加厚至20~24 mm，拉索錨固區(qū)局部加厚至28 mm。標(biāo)準(zhǔn)段底板采用14 mm，臨近鋼混結(jié)合段區(qū)域和底板壓重區(qū)域加厚至18~20 mm。標(biāo)準(zhǔn)段頂板、底板加勁縱肋采用8 mm鋼板壓制成的梯形閉口肋，頂板加勁肋間距為600 mm，底板加勁肋間距為800 mm。頂?shù)装寮雍穸纹淇v向U肋同步加厚至10 mm。

橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m，分為三類：普通橫隔板、錨點(diǎn)橫隔板、端橫梁支承橫隔板。普通橫隔板厚度為12 mm，錨點(diǎn)橫隔板厚為14 mm，在錨點(diǎn)腹板區(qū)域加厚至18 mm。端橫梁支承橫隔板厚度為20~24 mm。

小樁號側(cè)邊跨鋼箱梁設(shè)置有87m長壓重段，壓重材料為C30鐵砂混凝土，容重要求達(dá)到30 kN/m3，全橋壓重共20 880 kN，壓重構(gòu)造所用鋼材皆為Q235c鋼。

2.2.1.3 鋼混結(jié)合段

鋼-混結(jié)合段長3.0m，采用填充混凝土后承壓板式構(gòu)造，承壓板厚度為60mm，與結(jié)合段相接的鋼箱梁設(shè)置4.5m長剛度過渡段（頂、底板帶有T型加勁）。鋼箱梁腹板與承壓板均采用熔透焊接，縱肋與承壓板磨光頂緊后施焊。連接處鋼梁端部為多格室結(jié)構(gòu)，在孔內(nèi)填充鋼纖維混凝土與混凝土梁連接成一個(gè)整體。為使多格室部分的鋼板與填充的混凝土結(jié)合密實(shí)，在鋼板上設(shè)置圓柱頭栓釘和PBL剪力鍵，并用預(yù)應(yīng)力鋼絞線將鋼梁和混凝土梁連成整體（見圖8）。

圖8 鋼混結(jié)合段立面構(gòu)造圖

2.2.2 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塔柱沿縱向整體偏轉(zhuǎn)6°，橫斷面線形為拱形。主塔下塔柱為倒Y型結(jié)構(gòu)，系混凝土結(jié)構(gòu)（含鋼混結(jié)合段），垂直高度為39.0 m。上塔柱為鋼箱結(jié)構(gòu)，主塔上塔柱高度為86.0 m（斜長），承臺以上橋塔總高度為124.528 m。副塔與主塔呈X型交叉，上塔柱高度為76.55 m（斜長），承臺以上總高度為115.126 m。鋼塔柱采用Q345qD，混凝土塔柱材質(zhì)為C55。鋼塔柱與混凝土塔柱采用鋼墊板及預(yù)埋在混凝土塔柱的構(gòu)件連接。圖9為鋼塔柱典型構(gòu)造斷面圖。

主塔鋼塔柱底部中心距離為53.8 m，底部尺寸為4.6 m×6.6 m，漸變?yōu)轫敳康? m×4 m，塔柱橫橋向分為三個(gè)箱室。根據(jù)主塔各區(qū)段受力情況，采用變壁厚設(shè)計(jì)，板厚分為32 mm、36 mm、40 mm三種規(guī)格。主塔壁板均采用板式加勁肋加勁，塔壁及加勁肋的豎向?qū)硬捎煤附舆B接。鋼塔柱橫隔板間距一般為2.5 m，普通隔板厚20 mm，拉索錨固節(jié)段橫隔板厚40 mm。

斜拉索在塔端利用鋼錨箱錨固，錨點(diǎn)豎向間距為2.0 m、2.5 m。索力豎向分力通過錨箱傳給塔壁，水平分力通過錨下隔板平衡，結(jié)構(gòu)整體性好，索力作用對主塔的局部應(yīng)力增加較小，能夠滿足較大索力條件下拉索錨固需要。

2.2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主塔基礎(chǔ)采用矩形承臺及群樁形式，承臺尺

圖9鋼塔柱典型構(gòu)造斷面圖寸為28.7 m（順橋向）×13.7 m（橫橋向）×5.0 m（高度）。主塔樁基全橋共采用36根φ2.0m鉆孔灌注樁。橋塔橫梁處橋墩為矩形實(shí)體墩，墩身截面尺寸為3.5 m×3.5 m。承臺尺寸為8.7 m（順橋向）×8.7 m（橫橋向）×3.5 m（高度），每個(gè)承臺下設(shè)置4根φ2.0 m鉆孔灌注樁。樁長采用70.0 m，按照摩擦樁設(shè)計(jì)。

橋墩墩身采用C40混凝土，承臺采用C30混凝土，封底采用C25混凝土，樁基采用C30水下混凝土。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 主要計(jì)算參數(shù)（見表1）

表1 主要計(jì)算參數(shù)表

采用Midas/Civil 2015有限元程序進(jìn)行計(jì)算，主梁、橋塔、橋墩基礎(chǔ)采用空間梁單元，斜拉索采用索單元（桁架單元）。橋塔與主梁采用剛性連接，拉索頂與主塔結(jié)構(gòu)共節(jié)點(diǎn)，拉索底節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)剛性連接，樁基節(jié)點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬土約束。

依據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[1]、公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[2]、公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[3]等，綜合考慮恒載、汽車活載、預(yù)應(yīng)力荷載、混凝土收縮徐變、溫度荷載、支座不均勻沉降等荷載的組合作用，對橋梁進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型如10所示。

圖10 計(jì)算模型圖

3.2 主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)組合下全橋彎矩圖如圖11、圖12所示。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合縱向彎矩圖（kN·m）

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合橫向彎矩圖（kN·m）

由圖11、圖12可知，主梁受力以縱向受彎為主，橋塔受力以橫向受彎為主，橋梁結(jié)構(gòu)受力總體上較為均衡。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)正應(yīng)力驗(yàn)算

圖13為基本組合應(yīng)力圖，表2為鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總表。

圖13 基本組合應(yīng)力圖（MPa）

表2 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力匯總表 MPa

表2中應(yīng)力數(shù)值為基于模型中應(yīng)力讀取結(jié)果（計(jì)入1.1重要性系數(shù)，以下皆同），再除以局部穩(wěn)定折減系數(shù)得到的值。其中，主梁頂板穩(wěn)定系數(shù)：頂板挑臂段為0.62，其余頂板段為1.0；主梁底板穩(wěn)定系數(shù)：對于20 mm、18 mm、14 mm的底板，局部穩(wěn)定系數(shù)分別為0.97、0.92、0.79；橋塔穩(wěn)定系數(shù)為1.0。主梁、橋塔最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均小于270 MPa（規(guī)范允許值），滿足要求。

3.3.2 鋼結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力驗(yàn)算

圖14為基本組合下主梁剪力圖。圖15、圖16分別為橋塔的縱向及橫向剪力圖。

圖14 基本組合下主梁剪力圖（kN）

主梁基本組合下最大剪力Q=17 341 kN，τ=Q/Aw=115 MPa，小于規(guī)范允許值155 MPa，滿足要求。

基本組合下，橋塔縱向最大剪力Q=5 896 kN，τ=Q/Aw=18 MPa；橋塔橫向最大剪力Q=15 492 kN，τ=Q/Aw=48 MPa；均小于規(guī)范允許值155 MPa，滿足要求。

3.3.3 疲勞驗(yàn)算

圖15 橋塔縱向剪力圖（kN）

圖16 橋塔橫向剪力圖（kN）

疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ采用等效的車道荷載，集中荷載為0.7 Pk，均布荷載為0.3 qk。Pk和qk按公路-Ⅰ級車道荷載標(biāo)準(zhǔn)取值，并考慮多車道的影響。

鋼箱梁頂?shù)装遄畲笳龖?yīng)力幅為16.37 MPa，根據(jù)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，頂?shù)装鍣M向?qū)雍缚p疲勞細(xì)節(jié)類別為110，對應(yīng)的常幅疲勞極限為81 MPa。按照規(guī)范第5.5.4條中的公式（5.5.4-1）計(jì)算可得：16.37 MPa＜81 MPa/1.35=60 MPa，滿足規(guī)范要求。

鋼箱梁最大剪應(yīng)力幅值為7.94 MPa，鋼箱梁剪切焊縫疲勞細(xì)節(jié)類別為80，對應(yīng)的剪應(yīng)力幅截止限值為36.6 MPa。按照規(guī)范第5.5.4條中的公式（5.5.4-2）計(jì)算可得：7.94MPa 〈36.6 MPa/1.35=27.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 主橋屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算

圖17為第1階屈曲形態(tài)圖。

對主橋進(jìn)行屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算，取結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、二期恒載為常量，活載、風(fēng)載為變量，對前50階模態(tài)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

圖17 第1階屈曲形態(tài)圖

橋梁前3階皆為主梁豎向屈曲失穩(wěn)模態(tài)，屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)最小為40.9，滿足要求。

3.5 錨拉板局部計(jì)算

選取成橋索力最大的邊索錨拉板，應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS建立空間板殼有限元模型，單元類型采用Shell 181。為消除錨拉板底部主梁邊界條件的影響，分別沿橋梁順橋向選取兩個(gè)橫隔板之間、橫橋向選取錨拉板附近頂板加厚區(qū)域范圍內(nèi)的鋼板建立有限元模型，幾何模型及有限元網(wǎng)格劃分模型如圖18所示。

圖18 計(jì)算模型

拉索索力取6 011 kN，錨拉板Mises應(yīng)力分布如圖19所示。

圖19 錨拉板Mises應(yīng)力分布圖（單位:MPa）

從應(yīng)力分布圖可知：成橋索力狀態(tài)下錨拉板局部應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)殄^管與加勁板焊縫的開孔角點(diǎn)區(qū)域。由于幾何尺寸突變嚴(yán)重，小部分區(qū)域應(yīng)力超過Q370鋼材的屈服強(qiáng)度，但范圍較小，實(shí)際結(jié)構(gòu)中此區(qū)域會發(fā)生局部塑性變形以釋放應(yīng)力；錨管、加勁板大部分區(qū)域應(yīng)力水平在160 MPa左右；梁頂板及腹板主要受力區(qū)域的應(yīng)力水平在100 MPa左右。

拉索錨固構(gòu)造，可根據(jù)索力大小選擇錨拉板或鋼錨箱形式，索力較小時(shí)可選擇錨拉板形式（錨拉板可選擇高標(biāo)號的鋼材），索力較大時(shí)宜選擇可靠度更高的鋼錨箱形式。局部分析表明錨拉板的加勁板與錨管焊接的焊縫端點(diǎn)的開孔倒角區(qū)域是應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的區(qū)域，需加強(qiáng)此處施工的工藝水平，保證焊縫質(zhì)量，盡量避免應(yīng)力集中。

4 結(jié)語

本文對趙王大街跨東湖和支漳河特大橋的總體布置和主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體靜力分析和局部計(jì)算分析，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，可為同類橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。