衡陽靈瑞寺大橋設計*

朱崇利1,2　李　勇2　查曉雄1　張　承2　史　鳴2　王保林1

(1.哈爾濱工業大學深圳研究生院，廣東深圳　518055；2.深圳橋博設計研究院有限公司，廣東深圳　518049)

摘　要：衡陽縣靈瑞寺(清江)大橋北起蒸陽大道，向南跨越濱江路、蒸水河和英南新區規劃的濱河路，終點與英南新區規劃的新城路連接，主橋採用四肢中承式異形提籃系桿拱橋。針對衡陽縣地處五嶺上升和洞庭湖下陷的過渡地帶，橋樑設計根據組合琴拱橋理論，合理調整拱軸線，改變拱肋截面大小，拱圈灌注混凝土，主梁採用大懸臂波形鋼腹板-桁架組合結構等措施，減小拱腳水平推力、節省水平系桿；充分發揮組合材料的力學性能，增加拱肋剛度，增強主拱橫向穩定性；提高截面的結構效率，有效減輕橋樑自重，提高橋樑結構耐久性。

關鍵詞：異型組合拱橋；拱軸線；波紋鋼腹板；鋼桁架；水平推力

DESIGNOFHENGYANGLINGRUITEMPLEBRIDGEZhuChongli1,2　LiYong2　ZhaXiaoxiong1　ZhangCheng2　ShiMing2　WangBaolin1

(1.HarbinInstituteofTechnologyShenzhenGraduateSchool，Shenzhen518055,China;

2.ShenzhenBridgeDoctorDesign&ResearchInstituteCo.Ltd,Shenzhen518049,China)

ABSTRACT：ThenorthernofHengyangLingruitemple(Qingjiang)bridgeislocatedinZhengyangAvenueandacrossBinjiangRoad,ZhengshuiRiverandBingheRoadofnewdistrictplanningsouthward,theendconnecttoXinchengroadofYingnannewdistrictplanning,mainbridgeisfour-supportmidheightdeckbasket-handle-tied-archbridge.BasedonthetransitionalzonebetweentherisingareaofFiveRidgesandfallenareaofDongtingLake,accordingtothetheoryofcombinationpianoarchbridge,reasonableadjustmentofarchaxiscouldchangethearchribsectionsize,aswellaspouringconcreteofarchring,largecantilevercorrugatedsteelweb-trusscompositestructureswasappliedinmaingirder.Asaresult,thehorizontalthrustofarchfootandhorizontaltiebarwerereduced,andgavefullplaytothemechanicalpropertiesofcompositematerials,soastoincreasethearchribrigidityandlateralstabilityofthemainarch.Theefficiencyofthestructureofthecrosssectionandthedurabilityofbridgestructurewereimproved,theweightofthebridgewasreduced.

KEYWORDS：special-shapedcompositearchbridge;archaxis;corrugatedsteelweb;steeltruss;horizontalthrust

*國家自然科學基金項目(50878087)。

第一作者：朱崇利,男,1974年出生，博士。

湖南省衡陽縣靈瑞寺(清江)大橋地處五嶺上升和洞庭湖下陷的過渡地帶，屬平原微丘區，河岸較為順直，主河槽呈U形河谷。主橋採用207.5m跨提籃式拱橋，主橋寬25.0m；北引橋採用3×25m預應力混凝土箱梁，南引橋採用5×25m預應力混凝土箱梁，引橋寬16.5m，橋樑全長405m。每片拱肋採用鋼管混凝土組成桁式斷面，兩片拱肋之間採用風撐連接。主梁採用波紋鋼腹板-鋼桁架式組合結構，縱梁設計為波紋鋼腹板箱梁，橫樑為三角形桁架式梁，充分發揮了波紋鋼腹板和桁架材料的力學特性。吊杆採用127φ7高強鋼絲，間距10m，共計19對。其橋型布置如圖1所示。

1—鋼管混凝土拱肋；2—三角形橫撐；3—吊杆；4—伸縮縫。圖1　主橋立面布置

1)根據組合琴拱理論，主拱採用內傾提籃式鋼管混凝土拱，合理優化了拱軸線，增大了拱軸線與承台間的水平夾角，減小了拱肋軸向壓力引起的水平推力。拱肋立面從拱頂至拱腳漸變變高增加了拱肋剛度和橫向穩定性[1]。

2)主梁採用波形鋼腹板-懸臂桁架組合梁，充分發揮了波形鋼腹板自重小、橫向抗彎剛度好、縱向抗剪剛度大、抗裂性能好等特點；大懸臂鋼桁架結構降低了拉應力、增大了抗壓性能，彌補了波形鋼腹板不抗壓、抗扭剛度小的缺陷，解決了主梁的橫向穩定性問題[2-5]，提高了截面的結構效率。

3)橋面系採用波形鋼板組合結構橋面，縱向布置厚度t=12mm波形鋼板，它與C50混凝土通過φ22×170焊釘形成組合截面，總厚度30cm，波高20cm，混凝土面層厚10cm。這種新型橋面結構減輕了橋面重量，節省了施工工序，提高了鋼結構橋面鋪裝的耐久性，橋面結構輕巧美觀，具有廣闊的應用前景。

3.1　主拱設計

主拱採用內傾提籃式鋼管混凝土拱，兩片拱肋頂點的橫向中心線距離為8.0m(圖1)，兩片拱肋之間由9道橫撐組成的三角形橫向連接，其中橫撐由φ500×10的鋼管組成，上下鋼管由腹桿(φ299×10)連接，橫撐不填充混凝土。每片拱肋由4根上下弦鋼管(φ800×14)和上下平聯(φ500×10)、腹桿(φ299×10)焊接成四肢格構桁式截面(圖2)，截面高度從3.2m漸變到6.5m，寬度2.1m，上下弦鋼管和拱腳實腹段內泵送C50微膨脹混凝土。拱軸線採用懸鏈線、圓弧形和直線的組合形式，其中懸鏈線拱軸係數m=1.756，矢高f=37m，跨度L=185m，橋樑計算矢跨比1/4。但由於單跨無腹拱結構會產生較大水平推力，因此每拱肋各設由12根高強度低鬆弛預應力鋼絞線束組成的水平系桿(圖3)來平衡拱腳水平推力，其中每根鋼束由19根7φ5鋼絞線組成，取安全係數K=2.5，張力2000kN。全橋拱肋設19對吊杆，吊點中心間距為8m。吊杆鋼索採用擠包雙層大節距扭絞型拉索，每根吊杆鋼束由127根φ7鍍鋅高強度低鬆弛預應力鋼絲組成，標準強度fpk=1680MPa，吊杆鋼束均採用高密度聚乙烯(PE護層)雙護層防護。這種設計方式提高了全橋的整體性,增加了主拱剛度，提高了橋樑的穩定性，對抗風、抗震、改善行車振動均十分有利。

1—拱肋上鋼管(N1)φ800×14;2—剪刀撐(N7)φ245×10;3—直腹桿(N5)φ299×10;4—下平聯(N4)φ500×10;5—拱肋下鋼管(N2)φ800×14。圖2　拱肋橫斷面

1—梁底楔塊；2—主拱中心線；3—主拱肋；4—水平系桿φ15.24×19;5—肋間帽梁。圖3　水平系桿構造

3.2　主梁設計

主梁採用波形鋼腹板縱向箱梁，波形鋼腹板厚12mm，高200mm，長1000mm，箱寬1.2m；腹板中心間距1.3m，縱梁下緣用鋼管混凝土桁架組成，下弦鋼管採用φ600×12，鋼管平聯採用φ500×12，縱樑上緣為通長鋼板，板寬2.0m，厚20mm。兩縱梁中心間距18.5m。橫樑採用φ400×14的鋼管桁架結構，梁長16.7m，橫樑縱向間距8m，橫樑下弦主管採用φ500×12、由φ299×10腹桿焊接成三角形格構桁式截面；人行道懸臂板採用鋼管混凝土懸臂撐管φ299×12，填充C60微膨脹混凝土,構造如圖4所示。

3.3　下部結構設計

主橋每個拱座設置左、右兩個承台，承台厚度4.0m，平面尺寸14.6m×14.6m。左右兩個承台由斷面2.5m×3.0m的系梁連接。主橋基礎採用群樁，每個承台由9根φ200鑽孔灌注樁組成，每根基樁預埋4根檢測管。引橋為樁柱式基礎，直徑為1.5m的圓柱墩加直徑為1.6的樁基礎，兩個樁基用系梁連接。

1—開口壓型鋼板；2—波形鋼橋面板；3—混凝土橋面板後澆層；4—波形鋼腹板，t=12mm;5—斜撐φ299×12，澆築C50微膨脹混凝土；6—φ600×12縱梁下弦管，澆築C50微膨脹混凝土；7—φ500×12橫樑下弦管；8—橫樑腹桿φ245×10。圖4　主梁構造

對於本橋的結構分析和計算，採用MIDAS空間程序進行計算分析,共計7153個結點，10855個單元，其中吊杆及水平拉杆採用桁架單元模擬，波紋鋼腹板、橋面板採用板單元模擬，拱腳實腹段採用梁單元和實體單元共同模擬，其他單元採用梁單元模擬。

荷載組合如下(D為恆載，M為活載，T為溫度作用)：1)1.2D+1.4M+1.12T；2)1.0D+0.7M+1.0T；3)1.0D+0.4M+1.0T；4)1.0D+1.0M+1.0T(彈性階段應力驗算組合)。

4.1　結構靜力分析

對主橋在各工況下的結構內力進行驗算(表1),結果均滿足相關規範要求。但如何減小拱腳水平推力、增強主拱橫向穩定性、增強拱橋經濟跨越能力，是大跨度拱橋關鍵技術難題之一。本橋通過採用鋼-混凝土組合結構，調整拱腳處的拱軸線向跨中收斂，充分發揮了鋼管混凝土結構抗壓強度高、鋼結構抗拉強度高的優點，使結構受力合理(主拱截面在各工況下的應力如圖5所示)，從拱頂到拱腳截面逐漸增大的應力有效地緩解了拱腳應力，提高了拱橋主拱截面的效率，也避免了局部失穩情況。進一步張拉縱向水平系桿的方法有效地減小了水平推力[6]。拱腳張拉後在不同工況下的水平推力如表2所示。

由表2可知，全橋各工況作用下最大水平推力為33559.2kN，靈瑞寺(清江)大橋通過張拉系桿，滿足JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》要求。

表1　內力驗算結果

位置軸力/kN彎矩/(kN5m)剪力/kN0頂板-369.0-72.242.5底板267.9-130.3-43.2L/4頂板-282.2-88.639.0底板-62.8-75.675.9L/2頂板240.9-90.346.3底板210.7-64.191.43L/4頂板112.2-107.450.3底板335.1-77.889.6L頂板59.0-105.6-51.1底板153.6-159.771.9

註：L為橋的跨度。

圖5　1/2拱肋各截面在各組合工況下截面應力

表2　拱腳在不同工況下的水平推力

kN

工況最大水平推力工況最大水平推力恆荷載23585.5組合325355.3組合133559.2組合427419.0組合226387.2

4.2　結構動力分析

橋樑結構的動力特性是其動力性能分析的重要參數,包括自振頻率、振型及阻尼比等。動力特性主要取決於結構的剛度系統和質量系統，對於正確地進行橋樑的抗震設計、車振分析及抗風穩定性分析等都有著重要的意義[7]。但由於目前尚沒有計算鋼管混凝土構件動力特性的有效方法，在遇到這類問題時,一般將鋼管混凝土換算成單一的組合材料,首先根據式(1)計算出材料的彈性模量Esc。求得組合材料的彈性模量後,用常規的有限元方法按單一材料進行計算。

(1)

其中　　

=(0.192fy/235+0.488)

=0.167fy/Es

式中：

為平均比例極限應力

為與

對應的比例應變。

本橋採用其固有頻率和與之相應的振動周期(表3)表示其結構動力特性。通過對該橋自振模態及國內相關橋樑的分析研究發現，靈瑞寺大橋的振動模態、振動基頻正常合理，結構動力特性良好，結構整體剛度好[8]。靈瑞寺大橋前兩階振動模態見圖6。

表3　前10階自振周期及頻率

自振模態周期/s頻率/Hz自振模態周期/s頻率/Hz12.30780.367365.98590.952723.32130.528678.62541.372834.05630.645689.54941.519845.05790.8050910.08021.604355.70720.90831010.44521.6624

a—1階模態;b—2階模態。圖6　振動模態示意

4.3　結構穩定性分析

主拱圈為壓彎構件,存在穩定問題。穩定問題往往成為大跨度拱橋設計的控制因素[9]。工程結構雖然均屬第二類穩定,但第二類穩定計算複雜，因此工程領域廣泛採用第一類穩定。特徵值分析得到的是第一類穩定問題的解，能得到屈曲荷載和相應的失穩模態，特徵值屈曲分析能夠預測臨界失穩力的大致所在，為進一步做非線性屈曲分析時所施加荷載的大小提供了依據，而且分析簡單，計算速度快，因此在實際工程中應用非常廣泛。靈瑞寺大橋在恆荷載作用下的穩定係數見表4，前兩階屈曲模態分析如圖7所示，從表4、圖7可以得出，該橋結構穩定性良好，安全可靠，滿足JTGD62—2004要求。

表4　主橋使用階段穩定係數

模態穩定係數模態穩定係數121.852646.851225.247752.647339.552853.003444.524961.303546.7941061.526

a—1階失穩模態;b—2階失穩模態。圖7　屈曲模態分析

衡陽靈瑞寺大橋採用了一系列新技術,本文進行深入的分析和研究後得出以下結論：

1)靈瑞寺大橋在設計時，通過優化拱軸線(由發散式漸變到收斂式)，拱肋間張拉水平系桿、吊杆等措施，有效地解決了拱腳的水平推力問題，提高了拱的橫向穩定性。

2)主梁通過採用波紋鋼腹板和鋼桁架的組合結構，充分發揮了結構材料的受力特性，波形鋼腹板解決縱向抗剪，鋼桁解決橫向抗彎，從源頭上解決了傳統箱梁結構自重大、抗裂性能差等問題，提高了主拱截面的效率和拱橋的經濟跨越能力。

參考文獻

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收稿日期：2015-08-21

通信作者：李勇，liy2000@163.com。

DOI:10.13206/j.gjg201512014

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