合肥市郎溪路南淝河特大橋總體設(shè)計(jì)

何曉暉，王 健，陳宜言

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概 述

合肥市郎溪路南淝河大橋是合肥市郎溪路（裕溪路—包河大道）建設(shè)范圍中最重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，經(jīng)多次方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，橋梁結(jié)構(gòu)確定采用特大跨徑波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用等截面矩形箱形墩，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路。

（2）荷載等級(jí)：城市-A級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。（3）設(shè)計(jì)行車速度：60 km/h。

（4）地震作用：地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

（5）通航等級(jí)：Ⅲ級(jí)航道。

（6）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

（7）環(huán)境類別：Ⅱ類。

（8）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。（9）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

1.2 橋址自然條件

擬建場地內(nèi)地勢稍有起伏，整體上呈西南高、東北低，地面標(biāo)高11～30m。工程區(qū)域?yàn)闆_積平原，微地貌為河漫灘、階地地貌。地質(zhì)構(gòu)造上，合肥地區(qū)屬于下?lián)P子海槽和淮陽古陸邊緣地帶，屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)江淮臺(tái)隆。場地未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂及其他影響工程穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造。場地上部地層為壓實(shí)填土、雜填土、素填土，下伏基巖為第三系土金山組泥質(zhì)砂巖，局部夾泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)主要材料

（1）上部主梁為C60混凝土；墩身為C40混凝土；承臺(tái)為C40混凝土；基樁為C35水下混凝土。

（2）主要鋼材：波形鋼腹板及上、下翼緣板采用符合 《耐候結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 4171—2008）的Q355NH D等級(jí)耐候鋼材。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼材：體內(nèi)束采用高強(qiáng)度、低松弛的橋梁成品預(yù)應(yīng)力鋼絞線束，fpk=1 860MPa；體外束采用環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，fpk＝1 860 MPa。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)該項(xiàng)目交通功能的需求，設(shè)置中幅主線橋承擔(dān)過境交通，設(shè)置左、右幅輔道橋承擔(dān)溝通南淝河兩岸城市交通。

該橋平面處于半徑為1 500m的平曲線上，為航道布置和施工方便考慮，三幅橋按照主跨徑相等、連接墩中心線在同一條法線上的原則布置。橋梁跨徑布置：左幅為92.313m+153m+92.494m；中間幅為 95 m+153 m+95 m；右幅為 97.687 m+153 m+97.506m（見圖 1）。

如圖2所示，橋梁總寬分別如下：

中間幅：0.5m（護(hù)欄）+12m（行車道）+1m（分隔帶）+12m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）=26m。

左幅：7m（人行道、非機(jī)動(dòng)車道）+11.5m（行車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=19m。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁典型橫斷面圖（單位：cm）

右幅：0.5m（防撞護(hù)欄）+11.5m（行車道）+7m（人行道、非機(jī)動(dòng)車道）=19m。

三幅橋間距均為1m。

主墩墩身采用箱形空心墩，順橋向橋墩寬均為4.0m，中間幅橋墩橫橋向?qū)?1.2m，邊幅橋墩橫橋向?qū)?4.2m，壁厚0.75m，橋墩基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，樁徑2.0m，均按摩擦樁設(shè)計(jì)，承臺(tái)厚度為4.0m。

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)為三跨波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁體系。中間幅主橋箱梁采用單箱三室橫斷面，左幅和右幅主橋箱梁采用單箱雙室橫斷面。根部梁高8.5m，高跨比1/18；跨中及邊墩處梁高3.6m，高跨比1/42.5，梁高按1.8次拋物線變化。

左幅和右幅波形鋼腹板厚度為12～24 mm，中間幅箱梁波形鋼腹板厚為12～26 mm，波形采用1600型。波形鋼板與混凝土頂板用Tw in-PBL連接，與混凝土底板的連接采用角鋼剪力鍵連接（見圖3）。鋼腹板節(jié)段間縱向連接采用搭接貼角焊接連接的方式，使用螺栓臨時(shí)固結(jié)，且為免疲勞損壞波形鋼板，豎向焊縫與水平焊縫相交處應(yīng)按設(shè)計(jì)要求設(shè)過焊孔。為提高波形鋼腹板箱梁的抗扭剛度，于箱梁中每隔一定距離設(shè)置有橫隔。

主梁采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁體內(nèi)采用縱、橫、豎（僅0號(hào)段布置）三向預(yù)應(yīng)力，縱向預(yù)應(yīng)力束又分體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力兩種鋼束。

2.3 中幅橋超寬箱梁結(jié)構(gòu)分析模型

圖3 Twin-PBL連接和角鋼剪力鍵連接

該橋?yàn)槌瑢挷ㄐ武摳拱孱A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，必須使用通用有限元程序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)建立精確的空間分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)的施工行為和成橋運(yùn)營階段進(jìn)行受力性能進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

2.3.1 混凝土頂?shù)装?、橫梁、橫隔板及內(nèi)襯混凝土單元

采用ANSYS程序單元庫中的八節(jié)點(diǎn)六面體單元——S O L ID45單元。S O L ID45單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有三個(gè)平動(dòng)自由度（U X、U Y、U Z）；S O L ID45單元可以考慮混凝土這類非線性材料的很多非線性性質(zhì)，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形、徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。

2.3.2 波形鋼腹板單元

采用ANSYS程序單元庫中的四節(jié)點(diǎn)殼單元——SHELL63單元。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：三個(gè)平動(dòng)自由度（UX、UY、UZ） 和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（ROTX、R O T Y、R O T Z）。SHELL63單元可以考慮塑性變形、徐變、大變形和大應(yīng)變特性等。

2.3.3 預(yù)應(yīng)力筋單元

預(yù)應(yīng)力筋采用L I N K8單元。L I N K8單元有著廣泛工程應(yīng)用的桿單元，比如可以用來模擬桁架、連桿、彈簧等。這種三維桿單元是軸向的拉壓單元，不承受彎矩；每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度——沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)。

2.3.4 連接單元

開孔板連接件及焊釘連接件采用CO M BI N14單元。CO M BI N14具有一維、二維或三維應(yīng)用中的軸向或扭轉(zhuǎn)性能。軸向的彈簧-阻尼器選項(xiàng)是一維的拉伸或壓縮單元。它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度——X、Y、Z的軸向移動(dòng)，不能考慮彎曲或軸向力。

2.3.5 材料特性及實(shí)常數(shù)設(shè)置

箱梁頂、底板、橫梁、橫隔板及內(nèi)襯混凝土采用C60混凝土。波形鋼腹板、鋼上下翼緣均采用Q345。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋采用C P S270級(jí) ?j15.24低松弛鋼絞線，公稱直徑 15.2 mm（7?5.0），公稱面積140.0mm2。體內(nèi)束、體外束張拉控制應(yīng)力分別為0.75Ryb=1 395MPa，0.60Ryb=1 116MPa。

開孔板連接件開橢圓形孔（長軸70mm，短軸50mm），根據(jù)推出試驗(yàn)所得剪切作用力與相對(duì)滑移量的關(guān)系曲線，將滑移量0.2mm割線斜率設(shè)為連接件抗剪剛度Ks。

2.3.6 邊界條件

在橋梁運(yùn)營階段，一個(gè)中支座處采用固定支座，其他支座均采用活動(dòng)支座。各自由度約束情況見表1。

表1 有限元模型約束條件

2.3.7 荷載作用

考慮的荷載種類如下：結(jié)構(gòu)一期恒載、二期恒載、預(yù)應(yīng)力作用、汽車荷載、溫度作用、混凝土收縮作用、支座沉降作用等。各荷載取值依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定。

2.3.8 計(jì)算分析模型

首先確定波形鋼腹板組合梁橋各構(gòu)件的單元類型和材料性質(zhì)，包括混凝土頂?shù)装?、橫梁、橫隔板和內(nèi)襯混凝土等混凝土構(gòu)件，波形鋼腹板、鋼上下翼緣等鋼構(gòu)件，體內(nèi)束、體外束等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，以及開孔板連接件、焊釘連接件等，然后建立全橋板殼-實(shí)體有限元分析模型（見圖4）、局部輪載有限元分析模型以及施工階段有限元分析模型（見圖5）。步驟如下：

圖4 全橋有限元模型

圖5 局部有限元模型

（1）選擇所需要的各種單元類型，并設(shè)置各單元類型的選項(xiàng)。

（2）確定各材料所對(duì)應(yīng)的材料性質(zhì)。

（3）將線性彈簧單元對(duì)應(yīng)的實(shí)常數(shù)輸入。

（4）綜合采用“自頂向下”和“自底向上”的建模方法建立有限元模型；體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處與混凝土頂?shù)装暹M(jìn)行耦合，體外預(yù)應(yīng)力筋在橫梁錨固點(diǎn)及橫隔板轉(zhuǎn)向塊處與混凝土在橫向和豎向耦合，但縱橋向體外預(yù)應(yīng)力筋無約束，符合實(shí)際情況；波形鋼腹板及其鋼上下翼緣與混凝土之間采用彈簧單元模擬連接關(guān)系。

2.4 中幅橋超寬箱梁結(jié)構(gòu)專項(xiàng)研究

針對(duì)結(jié)構(gòu)自身特性，該工程開展了如下專項(xiàng)研究：

（1）超寬箱梁成橋運(yùn)營階段橫向應(yīng)力及局部構(gòu)件應(yīng)力分析。

（2）超寬箱梁橫隔板間距合理布置研究。（3）超寬箱梁活載偏載效應(yīng)研究。

2.4.1 超寬箱梁成橋運(yùn)營階段橫向應(yīng)力及局部構(gòu)件應(yīng)力分析

研究對(duì)象橋采用大懸臂寬箱波形腹板組合梁斷面，在局部輪載作用下，橋面板橫向受力較為復(fù)雜，且波形腹板與頂?shù)装暹B接處承受角隅彎矩，局部受力較為不利。通過計(jì)算表明：

（1）對(duì)橋面板布置 B M15-2、B M15-3、B M15-4、B M15-5和B M15-6五種不同數(shù)量橫向預(yù)應(yīng)力筋的情況下，分別進(jìn)行了橫向邊支點(diǎn)負(fù)彎矩最不利和橫向中跨跨中正彎矩最不利兩種工況下的計(jì)算分析。各工況下頂板橫向正應(yīng)力見表2。以橫向邊支點(diǎn)負(fù)彎矩最不利工況為例，可以看出隨著預(yù)應(yīng)力束數(shù)量的增加，橫向中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)處拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均逐漸增大，橫向中跨跨中和邊跨跨中處壓應(yīng)力逐漸增大，綜合考慮橫向支點(diǎn)及跨中處受力，橋面板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束按B M15-4布置是合理的。

（2）在橫向邊支點(diǎn)負(fù)彎矩最不利工況和橫向中跨跨中正彎矩最不利工況下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性能分析。計(jì)算表明，在上述兩種最不利工況下，結(jié)構(gòu)前五階屈曲穩(wěn)定特征值均大于4，滿足穩(wěn)定性要求。

（3）在中支點(diǎn)剪力最大工況和邊支點(diǎn)剪力最大工況下，對(duì)錨固橫梁的縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、主拉應(yīng)力以及主壓應(yīng)力進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表3，結(jié)果表明除錨點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力較大外，其余區(qū)域應(yīng)力均較小，按規(guī)范配筋即可。

（4）在中支點(diǎn)剪力最大工況和邊支點(diǎn)剪力最大工況下，對(duì)內(nèi)襯混凝土的縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、主拉應(yīng)力以及主壓應(yīng)力進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表4，結(jié)果表明內(nèi)襯混凝土應(yīng)力沿斜對(duì)角波浪形分布，除內(nèi)襯自由端主拉應(yīng)力較大外，其他應(yīng)力均較小。建議在內(nèi)襯自由端進(jìn)行剛度過渡處理，內(nèi)襯混凝土適當(dāng)配筋即可滿足應(yīng)力要求。

2.4.2 超寬箱梁橫隔板間距合理布置研究

分別采用5m、10m、15m、20m和25m五種橫隔板布置方案研究橫隔板合理間距。通過波形鋼腹板組合箱梁橋橫隔板不同布置方案的有限元分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）按規(guī)范偏心車道加載時(shí)，橫隔板數(shù)量對(duì)橋梁豎向撓度影響較小，說明橫隔板數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向剛度影響不明顯。

表3 錨固橫梁受力分析 kN

表4 內(nèi)襯混凝土受力分析 kN

（2）按規(guī)范偏心車道加載時(shí)，由于橫隔板主要限制畸變應(yīng)力，而畸變應(yīng)力在總應(yīng)力中所占比例很小，因而五種方案的總的正應(yīng)力沒有顯著變化。

（3）按集中力加載時(shí)，隨橫隔板數(shù)量的減少，畸變應(yīng)力占總的彎曲正應(yīng)力的比值逐漸增加，其比值均小于10%，一般要求橫隔板間距在10～25m。故橫隔板間距不控制其設(shè)計(jì)。

2.4.3 超寬箱梁橋面板有效寬度研究

通過波形腹板組合箱梁橋的實(shí)體有限元模型，計(jì)算各關(guān)鍵截面處混凝土板在恒載和活載作用下縱向正應(yīng)力的橫向分布，以獲得其跨中和支點(diǎn)等截面的有效寬度，并與橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行了比較分析。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）應(yīng)力方面。各荷載工況下，頂板縱橋向應(yīng)力沿橫橋向分布波動(dòng)幅度較底板大，邊支點(diǎn)和中支點(diǎn)處斷面的頂?shù)装蹇v橋向正應(yīng)力沿橫橋向分布的均有一定波動(dòng)，由于活載占總荷載的比例相對(duì)較小，活載作用下，各截面應(yīng)力波動(dòng)幅度均小于恒載作用下的截面應(yīng)力波動(dòng)幅度。

表2 不同橫向預(yù)應(yīng)力束布置下頂板橫向正應(yīng)力 MPa

（2）恒載作用下，混凝土頂板的有效寬度計(jì)算系數(shù)在各支點(diǎn)處為 0.31～0.36，邊跨跨中為0.66～0.77，中跨跨中為 0.57～0.86?；炷恋装宓挠行挾扔?jì)算系數(shù)在邊支點(diǎn)處為0.78，邊跨跨中為0.89～0.92，中支點(diǎn)為 0.95，中跨跨中為 0.95～0.98?？傮w上，頂板有效寬度有限元計(jì)算值較《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》（JTG D62—2004）規(guī)定減小約30%；底板邊跨有效寬度有限元計(jì)算值較《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》（JTG D62—2004）規(guī)定減小約6%，中跨有效寬度有限元計(jì)算值較《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》（JTG D62—2004）規(guī)定增大約4%。

（3）活載作用下，頂板1#腹板兩側(cè)翼緣有效寬度較2#腹板兩側(cè)翼緣有效寬度小，底板各道腹板兩側(cè)翼緣有效寬度十分接近。

3 結(jié) 語

由于交通功能的需要，該橋總寬度為66m，分為三幅橋設(shè)計(jì)和建設(shè)，成為目前國內(nèi)同類梁橋體系中箱梁斷面最寬的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和施工中采用一系列新技術(shù)和新工藝，具體特點(diǎn)主要如下：

（1）針對(duì)城市橋梁寬度較大的需求，用多箱室波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁取代普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，省去傳統(tǒng)的混凝土腹板構(gòu)造，顯著減輕了橋梁上部節(jié)段自重，同時(shí)利用波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)提高了預(yù)應(yīng)力的效率，簡化了施工步驟。

（2）為降低橋梁全壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和減少現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)操作，全橋波形鋼腹板均采用Q355NH D等級(jí)耐候鋼材，耐大氣腐蝕能力強(qiáng)，簡化了以往波形鋼腹板橋梁的涂裝方案。依托耐候鋼材的工程應(yīng)用，開發(fā)了配套的焊接工藝和驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）該橋采用大跨度懸臂澆筑施工方案，中間幅和邊幅箱室寬度分別為26m、19m，懸臂澆筑節(jié)段很寬，在懸臂澆筑施工中較為罕見，為施工技術(shù)上的一個(gè)難點(diǎn)。

該工程采用了新型橋梁用成品鋼絞線束，根據(jù)設(shè)計(jì)長度全部在工廠編束、定長下料，工地現(xiàn)場直接整束牽引安裝?？杀ＷC所有整束鋼絞線在張拉過程中同步、均勻受力，也節(jié)約了大量的穿束施工用時(shí)，同時(shí)配套使用了符合最新交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的橋梁用新型鋼絞線塑料波紋管及配套件。

全橋在預(yù)應(yīng)力施工中實(shí)施了“預(yù)應(yīng)力張拉智能控制技術(shù)”，配套啟用了“有效預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)”，全程對(duì)預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測控，確保達(dá)到較高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，極大提高了現(xiàn)場施工質(zhì)量。

（4）該橋于2018年11月建成，對(duì)拓寬波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在大跨、超寬橋梁范圍的應(yīng)用具有積極參考意義。