鄢余文，孫一鳴

[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]

1 工程概況

揚(yáng)州江廣快速路是揚(yáng)州市中心城區(qū)快速路網(wǎng)的重要一橫，是揚(yáng)州主城區(qū)向東連接生態(tài)科技新城、江都區(qū)的快速通道，是市區(qū)與揚(yáng)州東站高鐵樞紐的集散通道。

江廣快速路控制性工程——茱萸灣大橋跨Ⅱ級(jí)航道京杭大運(yùn)河，主橋主跨140 m，橋面總寬53.2 m，布置雙向8 車道加人非車道。

大橋方案遵循“運(yùn)河之城、時(shí)代巨輪、華美樂章”的設(shè)計(jì)理念。主橋采用下承式連續(xù)鋼桁架拱橋，整體造型似一艘巨輪，致敬揚(yáng)州悠久的運(yùn)河文化。本橋剛勁的桁架與附近萬福大橋柔性的主纜交相輝映、剛?cè)岵?jì)。主橋三片曲線形的桁架拱，外形優(yōu)美流暢、現(xiàn)代大方，配以炫麗的景觀亮化照明，譜寫華美樂章，為揚(yáng)州增添新的城市景觀（見圖1）。

圖1 揚(yáng)州江廣快速路茱萸灣大橋建成實(shí)景

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路，設(shè)計(jì)車速80 km/h。

（2）設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載采用城-A 級(jí)，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)取。

（3）通航標(biāo)準(zhǔn)：京杭大運(yùn)河為Ⅱ級(jí)航道，設(shè)計(jì)最高通航水位7.80 m，最低通航水位3.33 m，通航凈空尺度不應(yīng)小于130.43 m×7.0 m（寬×高，矩形斷面）。

（4）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防烈度7 度，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值0.15g；抗震設(shè)防類別乙類；抗震設(shè)防措施等級(jí)8 度。

（5）結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。

（6）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

3 總體布置

3.1 立面布置

茱萸灣大橋的主橋?yàn)槿?2 m+140 m+42 m 連續(xù)下承式鋼桁架拱橋，采用柔性吊桿、組合橋面系。鋼桁架拱整體為弧形曲線，橋梁結(jié)構(gòu)通過鋼桁架拱肋、橋面系和系桿構(gòu)成無推力平衡體系（見圖2）。

圖2 茱萸灣大橋立面布置圖（單位：m）

3.2 橫斷面布置

主橋橫斷面整幅布置，鋼桁架橫向設(shè)3 片拱肋，邊拱肋寬度1.2 m，中拱肋寬度1.8 m。橋面車行道部分為雙向8 車道，兩側(cè)設(shè)置4 m 寬非機(jī)動(dòng)車道和3.5 m寬人行道，橋面總寬53.2 m（見圖3）。

圖3 茱萸灣大橋橫斷面布置圖（單位：m）

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主桁架

主橋含三片鋼桁架拱肋，桁架之間設(shè)置5 道風(fēng)撐。拱肋豎直，中心距2×22.45 m。桁架拱肋由上弦桿、下弦桿和腹桿組成[1]。

拱頂處上下弦桿豎向中心間距5.0 m。主墩頂處下弦桿與系梁相交于系梁中心，上弦桿中心與系梁中心豎向間距13 m。邊墩處主梁中心與上弦桿中心豎向間距5.0 m。

下弦桿采用二次拋物線，下矢高32.0 m，矢跨比為1∶4.375。上弦桿采用二次拋物線與圓曲線結(jié)合，上矢高37 m[2]。

桁架腹桿在中跨連接拱肋上下弦桿，在邊跨連接上弦桿和主梁。標(biāo)準(zhǔn)桁架節(jié)間長(zhǎng)度為4.8m。腹桿分為直腹桿和斜腹桿，斜腹桿方向中跨與邊跨方向相反，并以主橋中心對(duì)稱，全橋呈密布N 型鋼桁架梁拱結(jié)構(gòu)形式。

鋼桁架上下弦桿截面為箱型，中拱肋截面1.8 m×1.2 m（寬×高）、邊拱肋截面1.2 m×1.2 m。腹桿為工字型斷面，橫橋向尺寸與對(duì)應(yīng)的弦桿一致便于連接。

鋼桁架在中跨設(shè)置5 道風(fēng)撐連接三片拱肋，邊跨不設(shè)風(fēng)撐。拱頂風(fēng)撐為米字型布置，其余4 道風(fēng)撐均為K 型布置，風(fēng)撐截面均為工字型（見圖4）。

圖4 茱萸灣大橋桁架結(jié)構(gòu)平面圖（單位：m）

4.2 橋面系

橋面系由系梁、小縱梁、中支點(diǎn)橫梁、邊支點(diǎn)橫梁和標(biāo)準(zhǔn)中橫梁組成梁格體系組成，并通過底鋼板與現(xiàn)澆混凝土板組合成鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋面系。

系梁與鋼桁架拱肋對(duì)應(yīng)布置，共3 道，中心距2×22.45 m。中跨系梁與系桿一道參與平衡拱橋的水平分力。系梁為箱型斷面，中系梁尺寸為1 800 mm×1 800 mm（寬×高）、邊系梁尺寸為1 200 mm×1 800 mm（寬×高）。

橫梁包括標(biāo)準(zhǔn)中橫梁、中支點(diǎn)橫梁和邊支點(diǎn)橫梁，標(biāo)準(zhǔn)間距為3.2 m。標(biāo)準(zhǔn)中橫梁為工字型斷面，高度1 800 mm，翼緣寬度600 mm。

中支點(diǎn)橫梁為2 道箱型斷面，尺寸分別為2000mm×1 800 mm（寬×高）、1 800 mm×1 800 mm（寬×高），中間通過平聯(lián)連接形成整體。邊支點(diǎn)橫梁同樣為2道箱型斷面，尺寸分別為1 400 mm×1 800 mm（寬×高）、1 073 mm×1 800 mm（寬×高），中間通過平聯(lián)連接形成整體。

橫斷面上布置兩道小縱梁，采用工字型斷面，高800 mm，頂板寬600 mm、底板寬500 mm。

人行道布置在兩側(cè)拱肋外側(cè)，寬3.5 m（含欄桿）。由鋼挑梁、鋼縱梁和鋼蓋板組成。

茱萸灣大橋1/4 橋面系布置如圖5 所示。

圖5 茱萸灣大橋1/4 橋面系布置圖（單位：m）

4.3 組合橋面板

組合橋面板由底鋼板、帶孔鋼板（PBL 剪力鍵）、現(xiàn)澆混凝土、鋼筋和焊釘?shù)冉M成。

組合橋面板與系梁不直接連接，主要支撐在橫梁和小縱梁上。底鋼板四邊焊接在橫梁、小縱梁的頂板上，厚度為8 mm。每個(gè)由橫梁、小縱梁形成的矩形格子間設(shè)置一塊底鋼板。

底鋼板上沿順橋向設(shè)置開孔板（見圖6），開孔板兼作底鋼板的加勁和組合橋面板的剪力鍵，其標(biāo)準(zhǔn)間距為400 mm；開孔板厚度為10 mm，高度為100 mm，開孔直徑為50 mm，開孔間距為100 mm。

圖6 組合橋面開孔板現(xiàn)場(chǎng)照片

現(xiàn)澆混凝土板的標(biāo)準(zhǔn)厚度為150 mm，在與橫梁和小縱梁連接處設(shè)置加腋，橋面板厚度增加至250 mm?；炷敛捎肅50 低收縮、高抗裂、高韌性的混雜纖維混凝土[3-4]。

剪力釘主要布置在橫梁、小縱梁頂面和承托處，采用φ22 mm 圓柱頭焊釘，高度200 mm，材料為ML15，剪力釘標(biāo)準(zhǔn)間距為200 mm×200 mm。

組合橋面板構(gòu)造如圖7 所示。

圖7 組合橋面板構(gòu)造圖（單位：mm）

4.4 吊桿和系桿

全橋在中跨對(duì)應(yīng)拱肋共設(shè)置3 排吊桿，每排13根吊桿，吊桿間距為9.6 m。吊桿采用環(huán)氧鋼絞線，型號(hào)為25 股、31 股、43 股和55 股φs15.24 鋼絞線。吊桿采用整束擠壓錨固鋼絞線拉索體系，梁端和拱端均冷鑄錨，其中梁端為張拉端，設(shè)置球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)動(dòng)。

為平衡拱肋水平推力，在中跨系梁內(nèi)設(shè)置水平系桿，每個(gè)系梁內(nèi)各設(shè)置4 根系桿，中系梁內(nèi)系桿型號(hào)為37 股φs15.24 鋼絞線，邊系梁內(nèi)系桿型號(hào)為19股φs15.24 鋼絞線。水平系桿索采用環(huán)氧鋼絞線，設(shè)計(jì)為可單根安裝、張拉和更換，并配套采用相應(yīng)的錨固、轉(zhuǎn)向和分絲轉(zhuǎn)向裝置。

橋梁采用先拱后梁的施工方法。在施工過程中，設(shè)置臨時(shí)系桿，以平衡體系轉(zhuǎn)換前桁架拱的水平推力，每片拱肋設(shè)置2 根臨時(shí)系桿。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 整體靜力計(jì)算

（1）計(jì)算模型。主橋整體計(jì)算采用Midas Civil 進(jìn)行空間有限元建模，桁架拱及橋面梁格體系采用梁?jiǎn)卧M，組合橋面板采用雙層板單元，吊桿和系桿采用桁架單元。

（2）計(jì)算荷載。汽車荷載按城-A 級(jí)，人群荷載按2.4 kPa 考慮。梯度溫度按頂板升溫15℃，降溫7.5℃計(jì)算，風(fēng)荷載取1.6 kPa。

（3）鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.1，按規(guī)范要求的基本組合進(jìn)行驗(yàn)算，取最不利工況驗(yàn)算結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)算，鋼桁架拱肋弦桿最大壓應(yīng)力230 MPa，位于中支點(diǎn)拱腳處；腹桿最大軸向壓應(yīng)力106.8 MPa，位于邊拱肋1/4 跨處；系梁最大拉應(yīng)力190 MPa，最大壓應(yīng)力206 MPa，均滿足規(guī)范要求（見圖8 至圖10）。

圖8 鋼桁架拱肋弦桿正應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖9 鋼桁架拱肋腹桿正應(yīng)力圖（單位：MP a）

圖10 鋼系梁正應(yīng)力圖（單位：MP a）

（4）吊桿和系桿應(yīng)力。 經(jīng)驗(yàn)算，中拱肋在1/4 拱跨處吊桿受力最大，最大吊桿應(yīng)力為891 MPa，邊拱肋也是在1/4 拱跨處吊桿受力最大，最大吊桿應(yīng)力778 MPa。

中系梁內(nèi)系桿最大拉應(yīng)力1 000 MPa，邊系梁內(nèi)系桿最大拉應(yīng)力928 MPa。

吊桿和系桿應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的鋼絞線材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

5.2 動(dòng)力分析

通過對(duì)主橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，成橋狀態(tài)下一階振型為主拱和主梁跨中豎彎，頻率為1.80（見圖11）；二階振型為主拱和主梁在1/4 跨反對(duì)稱豎彎，頻率為1.84?？梢娭鳂蚓哂辛己玫膭?dòng)力特性[5]。主橋前6 階典型自振頻率和振型特征見表1。

圖11 一階振型（對(duì)稱豎彎）

表1 主橋前6 階自振頻率

5.3 穩(wěn)定分析

鋼桁架拱肋的桿件以受壓為主，其整體及局部穩(wěn)定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

穩(wěn)定計(jì)算的荷載考慮恒載、車道荷載、人群荷載和風(fēng)荷載。采用未考慮初始缺陷的線彈性理論模型進(jìn)行穩(wěn)定分析，穩(wěn)定系數(shù)不小于4.0[6]。

經(jīng)計(jì)算，恒載作用下，拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)為18.1；恒載＋活載作用下，拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)為15.6，均滿足規(guī)范要求。一階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋整體多波節(jié)面外失穩(wěn)，如圖12 所示。

圖12 鋼桁架拱肋一階失穩(wěn)模態(tài)

5.4 組合橋面板計(jì)算

鋼- 混凝土組合橋面板與混凝土疊合橋面板相比，提高了橋面板的抗彎能力，減小了混凝土板的厚度。同時(shí)，底鋼板作為澆筑混凝土的底模板，減小了模板的安裝和拆除，縮短了工期。

鋼- 混凝土組合橋面板采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，進(jìn)行以下驗(yàn)算。

（1）鋼- 混凝土組合橋面板的正截面抗彎承載能力。

經(jīng)計(jì)算，橋面板支點(diǎn)彎矩71.5 kN，跨中彎矩51.1 kN，支點(diǎn)處最大剪力為96.2 kN，組合橋面板正彎矩抗彎承載力169.7 kN，大于51.1 kN，負(fù)彎矩承載力78.5 kN，大于71.5。

（2）斜截面抗剪承載能力。斜截面抗剪承載能力需要計(jì)算垂直于帶孔鋼板方向和平行于帶孔鋼板方向。垂直于帶孔鋼板方向是指橋面板截面的整體抗剪能力。平行于帶孔鋼板方向的斜截面抗剪承載能力主要由混凝土和底鋼板兩部分共同承擔(dān)。

a. 垂直于帶孔鋼板方向抗剪承載力。垂直于帶孔鋼板方向剪力作用范圍為：

因此取剪力作用范圍內(nèi)的有效肋寬：

0.07 fcdWrh0= 193.18 kN＞1.3＞×Vs= 125.1 kN

b. 平行于帶孔鋼板方向抗剪承載力。平行于帶孔鋼板斜截面抗剪承載力主要由混凝土和底鋼板兩部分共同承擔(dān)，即：

（3）抗沖切承載能力。

沖切承載能力567 kN，遠(yuǎn)大于輪載。

（4）帶孔鋼板剪力鍵的抗剪承載力。當(dāng)帶孔鋼板內(nèi)有貫穿鋼筋時(shí)，其承載能力為：

故帶孔鋼板剪力鍵抗剪承載力滿足要求[4]。

（5）裂縫寬度驗(yàn)算。負(fù)彎矩區(qū)荷載準(zhǔn)永久組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值為23.1 kN，頻遇組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值為37.4 kN，鋼- 混凝土組合橋面板負(fù)彎矩區(qū)的縱向受拉鋼筋應(yīng)力為48.3 MPa，裂縫寬度為0.026 mm。

6 結(jié) 語

（1）江廣快速路茱萸灣大橋采用三跨連續(xù)鋼桁架拱橋，總體布置與快速路功能和航道通航要求相適應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)受力合理、造型流暢美觀，建成后已成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志建筑。

（2）鋼桁架拱在橫橋向采用3 片主桁拱肋，造型恢弘大氣，整體性好。但各片拱肋的結(jié)構(gòu)受力、系桿水平推力、吊桿力等均不一致，需處理好各構(gòu)件間的結(jié)構(gòu)尺寸和受力協(xié)調(diào)關(guān)系。設(shè)計(jì)中一方面采用增大中拱肋、中系梁的截面尺寸，并提高中間排吊桿和系桿規(guī)格；另一方面加大中支點(diǎn)橫梁截面，以加強(qiáng)橋面橫向剛度，使得橋面系受力和橫橋向整體性得以滿足要求。

（3）橋面板采用鋼- 混凝土組合橋面板，具體為底鋼板上現(xiàn)澆150 mm 厚度的混凝土面板，有效提高了橋面板的剛度和耐久性，并減小了混凝土板厚度，降低結(jié)構(gòu)自重。底鋼板作為澆筑混凝土的底模板，省去了模板的安裝和拆除，施工方便快捷。此外，底鋼板上設(shè)置開孔板，開孔板兼作底鋼板的加勁和組合橋面板的剪力鍵，與橋面剪力釘一道，加強(qiáng)鋼- 混凝土組合橋面板連接整體性。

（4）系梁內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力系桿，平衡拱的推力，進(jìn)一步減小橋面板的拉應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)耐久性。此外，在先拱后梁法的施工過程中，設(shè)置臨時(shí)系桿，以平衡體系轉(zhuǎn)換前桁架拱的水平推力。

（5）鋼桁架拱橋的桿件應(yīng)力、橋梁整體穩(wěn)定、吊桿和系桿應(yīng)力、組合橋面板受力等是計(jì)算分析的關(guān)鍵。通過對(duì)相關(guān)內(nèi)容的深入計(jì)算，均滿足規(guī)范要求，橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠、耐久適用。