非对称下承式拱桥钢主梁构造细部的计算和设计

第１期（总第１６４期）　２０１３年２月　中圄彳放ｚ　ＣＨＩＮＡ　ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｎｏ．１（ＳｅｒｉａＩ　Ｎｏ．１６４）　Ｆｅｂ．２０１３　ＤＯＩ：１　０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１　００４－４６５５．２０１　３．０１．００５　非对称下承式拱桥钢主梁构造细部的计算和设计　吴　炜　［上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海２０００９２］　摘要：介绍了某非对称下承式拱桥钢箱梁设计，着重介绍了横隔板形式选择、吊杆横桥向位置变化处构造、边跨　钢梁腹板形式选择、合龙段位置选择等。通过比较选择适合本桥的构造形式，供桥梁设计者参考。　关键词：拱桥；横隔板；钢箱梁；设计　中图分类号：Ｕ４４８．２２０．３３５　文献标志码：Ａ　文章编号：１　００４—４６５５（２０１　３）０１—００１　４－０３　某非对称下承式钢拱桥采用跨径为２５２　ｍ＋　１０６　ｍ：３５８　ｍ的异形拱造型，桥面标准宽度３４　ｍ，　局部变宽至４３　ｍ。主跨主拱由变高段和分叉段组　成，边拱与主拱在拱顶交汇，边拱与主拱之间设有　横撑。主拱矢高为５２．８１　ｉｎ，主拱轴线立面投影为　２次抛物线，边拱轴线立面投影为１．９次抛物线。　拱肋均为矩形钢箱截面。主拱变高段截面宽度４　ｍ，　锚固在主梁中心，部分吊杆锚固在主梁边缘，横向　布置及受力较为复杂，双主梁断面不适用于本桥；　同时边跨吊杆张拉力较小，主梁所受弯矩较大，需　具备较强的抗弯能力，故主梁采用整体式钢箱梁。　从美学角度考虑，梁底水平宽度越小的主梁断　面视觉效果更好，抗风性能更佳。在主拱中拱脚处，　需要设置拱梁节点，拱梁节点下设支座，此处底板　拱顶截面高度４．２　１３３，拱脚截面高度１０　ｉｎ，拱高沿　宜设置水平，同时主梁的刚度不宜减小过多。边跨　水平方向按２次抛物线规律变化。主拱分叉段截面　弯矩较大，增加梁底水平宽度，钢料增加不多，抗　宽度３　ｎｌ，截面高度４．２　ｍ。边拱截面宽度４　ｎｌ，截　弯惯矩和截面抗弯能力显著增强。杭州百年基本风　面高度４．２　ｍ。　加劲梁作为系梁，承担拱脚的水平推力。中跨为刚　速为２８．６　ｍ／ｓ…，在满足抗风稳定性要求的前提下，　主梁采用扁平钢箱梁，拱间不单独设系杆，以　可优先选择底板水平宽度大的箱梁。综合受力和制　造要求，断面宜采用宽底板整体式钢箱梁，水平底　０～３６．６　ｍ，顶板设２％横坡，底板水平。　拱柔梁体系；边跨拱肋较柔，成桥吊杆力仅平衡部　板宽２８．密索体系的刚拱柔梁桥，主梁主要需满足横向　分梁段重，存在一定柔拱刚梁效应。现桥位下为远　期规划河流，暂未实施，桥梁上部结构施工采用先　梁后拱施工方法，其中梁采用满樘支架施工，拱采　用少支架法施工。图１为桥梁效果图。　和桥面局部受力要求。主梁常规高度对纵向体系刚　度、受力影响不显著，一般原则是减小梁高以减小　风荷载和腹板材料用量，但宽箱扁平钢箱梁梁高的　减少对材料用量的降低并不显著，而对抗弯、抗扭　惯矩的影响较大。根据本桥拱梁节段附近和边跨受　力的计算，主梁梁高取３．５　ｍ。　钢箱梁标准节段长度与吊杆索距设计时考虑到　利用钢箱梁承载能力大的特点，尽量加大拉索间　图１桥梁效果图　距，减少吊杆数、降低拼装梁段、缩短施工周期。　索距大则梁段长、梁段节段重量大，单处吊杆承受　的拉力大，拱、梁锚固区的设计与施工困难，同时　１主梁总体设计　拱桥的加劲梁需具有纵桥向刚度时，可选用双　边主梁形式或整体钢箱梁形式。本桥主跨吊杆部分　大节段钢箱梁对运输、拼装等要求更高。设计控制　单节段质量≤２５０　ｔ。钢箱梁节段长度定为ｌＯ．５　ｍ，　收稿日期：２０１２—１２—０３　作者简介：吴炜（１９８（卜），男，工程师，工学硕士。　ｌ４　横隔板间距３．５　ｍ，全桥共划分为３５个梁段。主梁　平面布置及吊杆梁上布置如图２所示。　中圄于放工　吴炜：非对称下承式拱桥钢主梁构造细部的计算和设计　２０１　３年第１期　图２钢主梁平面布置图　桥面板厚度、ｕ形加劲肋的间距、横隔板的　间距与形式关系到结构受力、桥面铺装使用寿命、　钢箱梁养护等方面。顶板采用研究与工程实例较多　的Ｕ形加劲正交异性桥面板，国内的设计经历了　从立足于满足结构受力到重视使用性能的发展过　ａ）空腹式　程，结合钢主梁横隔板间距的常规尺寸，选择常规　扁平钢箱梁尺寸。主梁钢结构采用顶板顶面、底板　顶面对齐方式。主梁中跨梁段车行道范围顶板标准　厚１４　ｍｍ，局部根据受力加厚。底板厚１２　ｍｍ，中　腹板厚１６　ｍｍ，边腹板厚１０　ｍｍ；车行道部分桥　面板采用ｕ形加劲肋，高３００　ｍｍ、钢板厚８　ＩＢｍ。　全桥ｕ肋制造、安装采用ｕ肋底板对齐方式，ｕ肋　图３空腹式、实腹式横隔板结构图　高度随顶板板厚进行相应调整。其余部分桥面板加　通过，但节点板受力较为集中。在采用桥面吊机进　劲采用板肋，外腹板、斜底板及底板采用Ｕ形加　行箱梁节段安装时，前支吊点的作用力较大，通常　劲肋、板肋和球扁钢加劲肋。节段之间的顶板加劲　控制横隔板设计。本桥因便利的施工条件，主梁可　肋采用栓接连接，其余采用焊接连接。　采用满樘支架施工。主梁在施工过程中无需承担江　边跨梁段顶板、底板、腹板厚度沿纵桥向根据　河中吊装钢箱梁的桥面吊机荷载。横隔板的设计可　受力变化，边跨正跨中车行道顶板２５　ｍｍ，非车行　以采用材料更省、通透性更强和施工更方便的空腹　道顶板厚度２０　ｍｍ，腹板１６　ｍｍ，底板１６　ｍｍ；近　式横隔板。从经济性角度考虑，空腹式横隔板较实　跨中变化至车行道顶板２０　ｍｍ，非车行道顶板厚度　腹式横隔板能节省将近ｌ５％的钢料，空腹式横隔　１６　ｍｍ，腹板２５　ｍｍ，底板１４　ｍｍ。　板无论是施工阶段还是成桥养护阶段均能提供更大　全桥共有３处拱梁节点，按照不同的受力特点、　的操作空间，便于管线通过。跨中标准横隔板采用　连接形式及下部结构支座布置单独进行设计。　空腹式横隔板。在拱梁节点附近等承受较大竖向力　依据桥梁所处环境，涂装体系采用常规防腐体　的部位采用整体性更好、刚度更大的实腹式横隔　系：箱梁外采用环氧富锌底漆＋环氧云铁中间漆＋　板。　脂肪族聚氨酯面漆；体系箱梁内表面采用环氧富锌　２．２吊杆单双索面变化处构造　底漆＋耐磨环氧厚浆漆体系，箱内配置抽湿机；桥　如图２所示，吊杆布置逐渐由单索面变化至双　面采用环氧富锌底漆形式的涂装体系。　索面。在中拱单、双拱形式交替处，吊杆梁上吊点　２构造细部比选设计　分别位于梁跨中及两侧，此处主梁横桥向受力模式　２．１横隔板形式选择　为悬臂梁与简支梁交替处。　由横隔板组成的主梁横向系统通常有２种形　以空间有限元对２种模式进行计算，采用空腹　式：空腹式横隔板和实腹式横隔板（见图３）。　式横隔板时，在汽车荷载作用下，吊杆居中和吊杆　通过结构性能、材料指标和使用性能等方面的　居两边横向相对变形为７．２　ｍｍ，采用实腹式横隔　比较，经计算分析，２种结构形式均能满足受力要　板情况下横向相对变形为４．８　ｍｍ，空腹式增加的　求。一般而论，空腹式横隔板通透性好，便于管线　剪切变形约为２．４　ｍｍ。　１　５　中圄彳盛譬　吴炜：非对称下承式拱桥钢主粱构造细部的计算和设计　２０１　３年第１期　为减少车辆荷载引起的主梁变形，在主梁单双　吊杆交替处增加局部横隔板的刚度，以实腹式代替　空腹式。经有限元计算，采用实腹式横隔板后附近　横桥向最大相对变形由２．９　ｍｍ变化为１．７　ｍｍ。　２．３边跨钢梁腹板布置选择　＿＿＇工作面１　工作面２．＿－　工作面３＋－＿　图５工作面及合龙段示意图　常规缆索体系扁平钢箱梁在运营阶段中腹板受　２．５钢梁变宽段处理　力不大，整体式钢箱梁常不设中腹板。在本桥总体　为增加钢箱梁景观效应，箱梁外侧斜底板采用　设计不设置系杆，单、双拱脚处水平推力需要一定　长度传递，主梁设实腹式腹板。　主跨梁腹板布置综合考虑了拱肋吊点布置和拱　梁节点的构造要求，设３道纵腹板，形成单箱双室　断面，腹板间距１３．５　ｍ。在拱肋人梁段，中腹板和　边腹板渐次展开为双腹板箱型断面顺接梁端拱肋腹　板。边跨有较大梁式桥受力特性，在边跨可采用同　中跨一致的腹板布置形式，也可以按照受力增加腹　板。前者构造简单，加工方便，后者受力较好，但　加工略复杂，桥面存在一定的刚度突变。　采用国内外规范分别对以上２种腹板布置对应　的剪力滞系数进行了计算，计算截面位置见图４，　计算结果如表１所示。　４　３　２　Ｉ　图４计算截面示意图　表１剪刀滞系数计算结果　截面　边跨支点　１跨中２－—１　２　１／４跨３－３　近中墩４—４　腹板数　３　５　３　５　３　５　３　５　ＢＳ５４００［。］　０．７３０　０．８７０　１．Ｏ０ｏ　１．００Ｏ　０．５７０　０．７８５　道路示方书　］　０．９７９　１．０００　０．９７９　１．Ｏ０ｏ　０．９７９　１．Ｏ０ｏ　０．７３８　０．８８２　ＡＡＳＨＴＯ［　］　０．７７５　０．８７０　０．９６０　０．９７０　０．７７５　０．８７０　０．５５０　０．６８０　通过计算比较，增加２道腹板以后剪力滞效应　有一定改善，但效果不是很显著，综合考虑采用不　增加腹板方案。　２．４合龙段位置选择　考虑到制造桥梁的特殊造型、施工工期、施工　方法及施工设备利用率，设计初定采用３个工作面　施工作业（见图５）。中跨合龙段位于跨中、边跨　合龙段位于近中拱拱梁节点处，能精确定位拱梁节　点的位置，较易消除制造、施工误差。　１６　曲线形式。箱梁在近中跨拱脚处需要在顺桥向２１　１ＴＩ　范围内宽度由３４　１ＴＩ变化至４３　ｍ。为保证外形整体　的一致性及降低加工制造的难度，斜底板采用半径　为８　１ＴＩ的圆弧造型。　在横向变宽构造中，对原车行道下横隔板、腹　板构造不进行变化调整，人行道下顶板、横隔板外　延，并依据受力要求在局部增加腹杆（见图６　ｏ　图６加宽后横断面　２．６吊杆锚固形式　梁上吊杆锚固形式结合全桥总体设计考虑，采　用吊耳式锚固形式，吊杆拱上张拉。吊点吊耳板深　入主梁后与横隔板相焊，吊耳板根据中跨与边跨吊　杆力采用２种板厚形式。　３结语　本桥钢箱梁设计结合全桥情况、已有经验及研　究计算，从力学性能、耐久、实用、美观、便利施　工、维修养护等方面综合分析结构关键部位的受力　特点及合理形式。钢主梁即将进行加工制造，大桥　预期将于２０１４年建设完成通车。　参考文献：　［１］ＪＴＧＤ６０－－２００４公路桥涵设计通用规范［ｓ］．　［２］铁道部专业设计院建设标准规范管理处．英国标准５４００：钢桥、　混凝土桥及结合桥［ｓ］．四川：西南交通出版社，１９８６．　［３］日本道路协会．道路桥示方书・同解说［ｓ］．东京：日本道路协会，　２０００．　［４］美国各州公路和运输工作者协会（ＡＡＳＨＴＯ）．美国公路桥梁设计　规范——荷载与抗力系数设计法［ｓ］．北京：人民交通出版社，　１９９８．