劉鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司天津分公司，天津300042）

1 引言

吊桿拱橋是將梁和拱2 種基本結(jié)構(gòu)相組合，共同承受荷載，使梁板的受力通過吊桿傳遞到拱肋，再通過拱肋傳遞到下部結(jié)構(gòu)。其兼有拱橋的較大跨越能力和梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強(qiáng)的2 大特點(diǎn)。當(dāng)橋面高程受到嚴(yán)格限制而橋下又要求保證較大的凈空，或當(dāng)墩臺(tái)基礎(chǔ)地質(zhì)條件不良易發(fā)生沉降，但又要保證較大跨徑時(shí)，吊桿拱橋是較好的選擇。

本文研究的昌平路橋位于上海市中心城的中部，跨越蘇州河，處于蘇州河?xùn)|段，介于恒豐路橋、普濟(jì)路橋之間，呈東西走向。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

昌平路橋沿線南北兩側(cè)現(xiàn)狀主要為商業(yè)服務(wù)和行政辦公場(chǎng)所，交通比較繁忙，且上?；疖囌疚挥陲髁曷芬员?，人流量非常高?；诖?，人行道與車行道分離設(shè)置，能最大限度減少人車互相干擾的問題，且能實(shí)現(xiàn)行人短暫駐足、休息，欣賞蘇州河兩岸美景的功能。

弧形跨越河道的拱肋結(jié)構(gòu)，自身尺寸纖細(xì)，因而很少影響視線。拱肋在尺度和空間造型上一般都與周邊建筑幾何形狀形成鮮明的對(duì)比，這種環(huán)境下的橋梁造型很容易給人們留下美好的印象。

要實(shí)現(xiàn)人非分離，從節(jié)約材料方面考慮，主梁結(jié)構(gòu)需要在主拱處分開。人行道部分主梁剛度較小，受力之后變形較大，副吊桿處索力不能出現(xiàn)壓力，對(duì)于橫梁的布置要求較高。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 橋梁總體布置

橋位處河道現(xiàn)狀寬約50m，主跨跨徑選擇為59.862m，同時(shí)根據(jù)平面布置，橋梁按照斜交13°布置。橋梁主橋立面如圖1 所示。

橋梁橫斷面（見圖2）布置為：3.75m（人行道）+4.5m（索區(qū)）+2.0m（主拱區(qū)）+0.5m（防撞護(hù)欄）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+21.5m（機(jī)動(dòng)車道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+2.0m（主拱區(qū)）+4.5m（索區(qū)）+3.75m（人行道）=50m。

圖1 主橋立面圖

圖2 跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置

3.2 橋梁上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 主梁

主梁采用雙主梁與橫梁組成的結(jié)構(gòu)形式，跨中標(biāo)準(zhǔn)梁高1.7m，支點(diǎn)加高至1.85m，橋梁車行道橫坡為2%，人行道為1%，底面保持水平，保證通航凈空。兩側(cè)人行道平面呈圓弧布置，半徑約為78m。主縱梁寬2m，沿車行道布置；邊縱梁寬1.2m，縱橋向呈圓弧形起拱，半徑約為242m，沿人行道布置；車行道中央設(shè)置3 道小縱梁。

橫梁間距3m，為工字型斷面，高度與主縱梁相同，底板寬0.5m，與主縱梁呈77°夾角，吊桿通過耳板與橫梁連接。

3.2.2 拱肋

拱肋采用拋物線，矢跨比為1/5.4，橋面以上拱肋高度9.866m。拱肋為矩形鋼箱粱，斷面高1.2m，寬1m。吊桿隔板間距3m，吊桿在拱肋上采用耳板的形式連接。

3.2.3 吊桿

吊桿為拱橋的主要受力構(gòu)件，本橋的吊桿采用平行鋼絲成品索，主吊桿采用PES（FD）7-73，副吊桿采用PES（FD）7-37。吊桿間距3m，上下均采用耳板與結(jié)構(gòu)相連，全橋共34 根主吊桿及34 根斜吊桿。

3.2.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋臺(tái)采用埋置式橋臺(tái)。

3.2.5 主要材料

下承式系桿拱橋：Q420qD 鋼材；

橋臺(tái)：C40 混凝土；

樁基：C35 水下混凝土。

4 橋梁受力分析

根據(jù)總體布置，對(duì)下承式系桿拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1.1 恒載

一期恒載：包括主拱、主梁自重，鋼材材料容重為78.5kN/m3；

二期恒載：橋面鋪裝容重為24kN/m3。

4.1.2 活荷載

車輛荷載：車輛荷載為城-A；雙向6 車道+2 非機(jī)動(dòng)車道；

人群荷載：按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定取用；

溫度荷載：考慮整體均勻溫升25℃，整體均勻溫降-25℃；風(fēng)荷載：基本風(fēng)速為33.8m/s。

4.1.3 荷載組合

根據(jù)JTG-D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需按承載能力極限狀態(tài)基本組合驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定性，作用組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值按JTG-D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2]規(guī)定計(jì)算。

4.2 計(jì)算模型

全橋總體靜力分析采用Midas-Civil 空間分析程序，對(duì)各種荷載工況下橋梁的成橋階段和施工階段進(jìn)行受力和位移分析。模型采用空間桿系結(jié)構(gòu)，系梁、端橫梁、中橫梁按實(shí)際截面形式用梁?jiǎn)卧M，吊桿用桁架單元模擬。圖3 為主橋模型圖。

4.3 剛度計(jì)算

主拱的活載最大豎向位移為8mm；橫梁的活載計(jì)算撓度f=1+26=27mm，小于L/500=63mm，滿足規(guī)范要求。

圖3 主橋模型圖

4.4 吊桿計(jì)算

吊桿在成橋階段、運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合下索力如圖4所示。

圖4 吊桿成橋索力圖（單位：MPa）

主吊桿選用PES5-109，輔助斜吊桿選用PES5-19。吊桿運(yùn)營(yíng)階段標(biāo)準(zhǔn)組下吊桿最大應(yīng)力分別為σ=454MPa，安全系數(shù)k=fpk/σ=3.68＞2.5，滿足規(guī)范要求。

吊桿在疲勞荷載計(jì)算模型下，吊桿應(yīng)力幅ΔσP=49.2MPa，根據(jù)JTG-D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.2.2節(jié)，平行鋼絲束的ΔσD=137MPa，ΔσP=49.2MPa≤KsΔσD/ΥMf=137/1.35=101MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5 上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

上部結(jié)構(gòu)在成橋階段基本組合應(yīng)力如圖5 所示，上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力見表1。

圖5 上部結(jié)構(gòu)基本組合下的正應(yīng)力包絡(luò)圖

表1 上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力

4.5.1 拱肋

由上述應(yīng)力圖和表可以看出，在基本組合下拱肋最大拉應(yīng)力為186MPa，最大壓應(yīng)力為-283MPa。整體穩(wěn)定折減系數(shù)為1，容許壓應(yīng)力為320MPa＞283MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

主拱肋面外、面內(nèi)最大剪應(yīng)力分別為19.6MPa 和12.8MPa，基本組合下鋼材容許剪應(yīng)力185MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5.2 縱梁應(yīng)力

由上述應(yīng)力圖和表可以看出，在基本組合下主縱梁最大拉應(yīng)力為103.7MPa，最大壓應(yīng)力為-111MPa；邊縱梁最大拉應(yīng)力為83.4MPa，最大壓應(yīng)力為-40.3MPa，均小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.3 橋面板應(yīng)力

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下橋面板最大等效應(yīng)力為133.5MPa，小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.4 小縱梁

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下小縱梁最大拉應(yīng)力為231MPa，最大壓應(yīng)力為-135.3MPa，小于基本組合下鋼材容許應(yīng)力320MPa，滿足規(guī)范要求。

4.5.5 橫梁

由上述應(yīng)力圖可以看出，在基本組合下系梁段橫梁最大拉應(yīng)力為104.6MPa，最大壓應(yīng)力為-96.1MPa，小于鋼材容許應(yīng)力320MPa；在基本組合下系梁段橫梁最大剪應(yīng)力為32.3MPa，小于鋼材容許應(yīng)力185MPa，滿足規(guī)范要求。

總體來看，除與系梁相交節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力突變最大值為193.6MPa，在基本組合下中間橫梁最大拉應(yīng)力為138.6MPa，最大壓應(yīng)力為-147.4MPa，小于鋼材容許應(yīng)力320MPa；在基本組合下中間橫梁最大剪應(yīng)力為53.7MPa，出現(xiàn)在橫梁與系梁相交處，小于鋼材容許應(yīng)力185MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.6 拱肋穩(wěn)定計(jì)算

主橋在恒載、活載作用下，以主拱的側(cè)向失穩(wěn)（見圖6）為主要的整體失穩(wěn)模態(tài)，最小的穩(wěn)定系數(shù)為152，滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

圖6 拱肋側(cè)向失穩(wěn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述模型計(jì)算結(jié)果可知，吊桿在成橋階段、運(yùn)營(yíng)階段索力均小于拉索設(shè)計(jì)拉力，且沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；橋面板、拱肋及縱橫梁在基本組合下的應(yīng)力均小于鋼材的允許應(yīng)力值；主橋最小穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。該橋梁結(jié)構(gòu)是安全可靠的，滿足設(shè)計(jì)要求，有足夠的安全儲(chǔ)備。

人行道與車行道分離，中間通過強(qiáng)橫梁連接，保證了人行道部分的整體剛度，且副吊桿在全過程中沒有出現(xiàn)壓力，說明了吊桿布置的合理性。

本方案中人非分離的吊桿拱橋，實(shí)現(xiàn)了大流量人群過河、駐足賞景，還能提高橋梁的景觀效果，很好地滿足了橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。