朱崇利1,2 李 勇2 查晓雄1 张 承2 史 鸣2 王保林1
(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院， 广东深圳 518055； 2.深圳桥博设计研究院有限公司， 广东深圳 518049)
摘 要：衡阳县灵瑞寺(清江)大桥北起蒸阳大道，向南跨越滨江路、蒸水河和英南新区规划的滨河路，终点与英南新区规划的新城路连接，主桥采用四肢中承式异形提篮系杆拱桥。针对衡阳县地处五岭上升和洞庭湖下陷的过渡地带，桥梁设计根据组合琴拱桥理论，合理调整拱轴线，改变拱肋截面大小，拱圈灌注混凝土，主梁采用大悬臂波形钢腹板-桁架组合结构等措施，减小拱脚水平推力、节省水平系杆；充分发挥组合材料的力学性能，增加拱肋刚度，增强主拱横向稳定性；提高截面的结构效率，有效减轻桥梁自重，提高桥梁结构耐久性。
关键词：异型组合拱桥； 拱轴线； 波纹钢腹板； 钢桁架； 水平推力
DESIGN OF HENGYANG LINGRUI TEMPLE BRIDGEZhu Chongli1,2 Li Yong2 Zha Xiaoxiong1 Zhang Cheng2 Shi Ming2 Wang Baolin1
(1.Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School， Shenzhen 518055, China;
2.Shenzhen Bridge Doctor Design & Research Institute Co.Ltd, Shenzhen 518049, China)
ABSTRACT：The northern of Hengyang Lingrui temple (Qingjiang) bridge is located in Zhengyang Avenue and across Binjiang Road, Zhengshui River and Binghe Road of new district planning southward, the end connect to Xincheng road of Yingnan new district planning, main bridge is four-support midheight deck basket-handle-tied -arch bridge. Based on the transitional zone between the rising area of Five Ridges and fallen area of Dongting Lake, according to the theory of combination piano arch bridge, reasonable adjustment of arch axis could change the arch rib section size, as well as pouring concrete of arch ring, large cantilever corrugated steel web-truss composite structures was applied in main girder. As a result, the horizontal thrust of arch foot and horizontal tie bar were reduced, and gave full play to the mechanical properties of composite materials, so as to increase the arch rib rigidity and lateral stability of the main arch. The efficiency of the structure of the cross section and the durability of bridge structure were improved, the weight of the bridge was reduced.
KEY WORDS：special-shaped composite arch bridge; arch axis; corrugated steel web; steel truss; horizontal thrust
*国家自然科学基金项目( 50878087)。
第一作者：朱崇利,男,1974年出生，博士。
湖南省衡阳县灵瑞寺(清江)大桥地处五岭上升和洞庭湖下陷的过渡地带，属平原微丘区，河岸较为顺直，主河槽呈U形河谷。主桥采用207.5 m跨提篮式拱桥，主桥宽25.0 m；北引桥采用3×25 m预应力混凝土箱梁，南引桥采用5×25 m预应力混凝土箱梁，引桥宽16.5 m，桥梁全长405 m。每片拱肋采用钢管混凝土组成桁式断面，两片拱肋之间采用风撑连接。主梁采用波纹钢腹板-钢桁架式组合结构，纵梁设计为波纹钢腹板箱梁，横梁为三角形桁架式梁，充分发挥了波纹钢腹板和桁架材料的力学特性。吊杆采用127φ7高强钢丝，间距10 m，共计19对。其桥型布置如图1所示。
1—钢管混凝土拱肋；2—三角形横撑；3—吊杆；4—伸缩缝。
图1 主桥立面布置
1)根据组合琴拱理论，主拱采用内倾提篮式钢管混凝土拱，合理优化了拱轴线，增大了拱轴线与承台间的水平夹角，减小了拱肋轴向压力引起的水平推力。拱肋立面从拱顶至拱脚渐变变高增加了拱肋刚度和横向稳定性[1]。
2)主梁采用波形钢腹板-悬臂桁架组合梁，充分发挥了波形钢腹板自重小、横向抗弯刚度好、纵向抗剪刚度大、抗裂性能好等特点；大悬臂钢桁架结构降低了拉应力、增大了抗压性能，弥补了波形钢腹板不抗压、抗扭刚度小的缺陷，解决了主梁的横向稳定性问题[2-5]，提高了截面的结构效率。
3)桥面系采用波形钢板组合结构桥面，纵向布置厚度t=12 mm波形钢板，它与C50混凝土通过φ22×170焊钉形成组合截面，总厚度30 cm，波高20 cm，混凝土面层厚10 cm。这种新型桥面结构减轻了桥面重量，节省了施工工序，提高了钢结构桥面铺装的耐久性，桥面结构轻巧美观，具有广阔的应用前景。
3.1 主拱设计
主拱采用内倾提篮式钢管混凝土拱，两片拱肋顶点的横向中心线距离为8.0 m(图1)，两片拱肋之间由9道横撑组成的三角形横向连接，其中横撑由φ500×10的钢管组成，上下钢管由腹杆(φ299×10)连接，横撑不填充混凝土。每片拱肋由4根上下弦钢管(φ800×14)和上下平联(φ500×10)、腹杆(φ299×10)焊接成四肢格构桁式截面(图2)，截面高度从3.2 m渐变到6.5 m，宽度2.1 m，上下弦钢管和拱脚实腹段内泵送C50微膨胀混凝土。拱轴线采用悬链线、圆弧形和直线的组合形式，其中悬链线拱轴系数m=1.756，矢高f=37 m，跨度L=185 m，桥梁计算矢跨比1/4。但由于单跨无腹拱结构会产生较大水平推力，因此每拱肋各设由12根高强度低松弛预应力钢绞线束组成的水平系杆(图3)来平衡拱脚水平推力，其中每根钢束由19根7φ5钢绞线组成，取安全系数K=2.5，张力2 000 kN。全桥拱肋设19对吊杆，吊点中心间距为8 m。吊杆钢索采用挤包双层大节距扭绞型拉索，每根吊杆钢束由127根φ7镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成，标准强度fpk=1 680 MPa，吊杆钢束均采用高密度聚乙烯(PE护层)双护层防护。这种设计方式提高了全桥的整体性, 增加了主拱刚度，提高了桥梁的稳定性，对抗风、抗震、改善行车振动均十分有利。
1—拱肋上钢管(N1)φ800×14;2—剪刀撑(N7)φ245×
10;3—直腹杆(N5)φ299×10;4—下平联
(N4)φ500×10;5—拱肋下钢管(N2)φ800×14。
图2 拱肋横断面
1—梁底楔块；2—主拱中心线；3—主拱肋；
4—水平系杆φ15.24×19;5—肋间帽梁。
图3 水平系杆构造
3.2 主梁设计
主梁采用波形钢腹板纵向箱梁，波形钢腹板厚12 mm，高200 mm，长1 000 mm，箱宽1.2 m；腹板中心间距1.3 m，纵梁下缘用钢管混凝土桁架组成，下弦钢管采用φ600×12，钢管平联采用φ500×12，纵梁上缘为通长钢板，板宽2.0 m，厚20 mm。两纵梁中心间距18.5 m。横梁采用φ400×14的钢管桁架结构，梁长16.7 m，横梁纵向间距8 m，横梁下弦主管采用φ500×12、由φ299×10腹杆焊接成三角形格构桁式截面；人行道悬臂板采用钢管混凝土悬臂撑管φ299×12，填充C60微膨胀混凝土,构造如图4所示。
3.3 下部结构设计
主桥每个拱座设置左、右两个承台，承台厚度4.0 m，平面尺寸14.6 m×14.6 m。左右两个承台由断面2.5 m×3.0 m的系梁连接。主桥基础采用群桩，每个承台由9根φ200钻孔灌注桩组成，每根基桩预埋4根检测管。引桥为桩柱式基础，直径为1.5 m的圆柱墩加直径为1.6的桩基础，两个桩基用系梁连接。
1—开口压型钢板；2—波形钢桥面板；3—混凝土桥面板后浇层；4—波形钢腹板，t=12 mm;5—斜撑φ299×12，浇筑C50微膨胀
混凝土；6—φ600×12纵梁下弦管，浇筑C50微膨胀混凝土；7—φ500×12横梁下弦管；8—横梁腹杆φ245×10。
图4 主梁构造
对于本桥的结构分析和计算，采用MIDAS空间程序进行计算分析,共计7 153个结点，10 855个单元，其中吊杆及水平拉杆采用桁架单元模拟，波纹钢腹板、桥面板采用板单元模拟，拱脚实腹段采用梁单元和实体单元共同模拟，其他单元采用梁单元模拟。
荷载组合如下(D为恒载，M为活载，T为温度作用)：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(弹性阶段应力验算组合)。
4.1 结构静力分析
对主桥在各工况下的结构内力进行验算(表1),结果均满足相关规范要求。但如何减小拱脚水平推力、增强主拱横向稳定性、增强拱桥经济跨越能力，是大跨度拱桥关键技术难题之一。本桥通过采用钢-混凝土组合结构，调整拱脚处的拱轴线向跨中收敛，充分发挥了钢管混凝土结构抗压强度高、钢结构抗拉强度高的优点，使结构受力合理(主拱截面在各工况下的应力如图5所示)，从拱顶到拱脚截面逐渐增大的应力有效地缓解了拱脚应力，提高了拱桥主拱截面的效率，也避免了局部失稳情况。进一步张拉纵向水平系杆的方法有效地减小了水平推力[6]。拱脚张拉后在不同工况下的水平推力如表2所示。
由表2可知，全桥各工况作用下最大水平推力为33 559.2 kN，灵瑞寺(清江)大桥通过张拉系杆，满足JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。
表1 内力验算结果
位置轴力/kN弯矩/(kN\5m)剪力/kN0顶板-369.0-72.242.5底板267.9-130.3-43.2L/4顶板-282.2-88.639.0底板-62.8-75.675.9L/2顶板240.9-90.346.3底板210.7-64.191.43L/4顶板112.2-107.450.3底板335.1-77.889.6L顶板59.0-105.6-51.1底板153.6-159.771.9
注：L为桥的跨度。
图5 1/2拱肋各截面在各组合工况下截面应力
表2 拱脚在不同工况下的水平推力
kN
工况最大水平推力工况最大水平推力恒荷载23585.5组合325355.3组合133559.2组合427419.0组合226387.2
4.2 结构动力分析
桥梁结构的动力特性是其动力性能分析的重要参数,包括自振频率、振型及阻尼比等。动力特性主要取决于结构的刚度系统和质量系统，对于正确地进行桥梁的抗震设计、车振分析及抗风稳定性分析等都有着重要的意义[7]。但由于目前尚没有计算钢管混凝土构件动力特性的有效方法，在遇到这类问题时,一般将钢管混凝土换算成单一的组合材料,首先根据式(1)计算出材料的弹性模量Esc。求得组合材料的弹性模量后,用常规的有限元方法按单一材料进行计算。
(1)
其中
式中：
本桥采用其固有频率和与之相应的振动周期(表3)表示其结构动力特性。通过对该桥自振模态及国内相关桥梁的分析研究发现，灵瑞寺大桥的振动模态、振动基频正常合理，结构动力特性良好，结构整体刚度好[8]。灵瑞寺大桥前两阶振动模态见图6。
表3 前10阶自振周期及频率
自振模态周期/s频率/Hz自振模态周期/s频率/Hz12.30780.367365.98590.952723.32130.528678.62541.372834.05630.645689.54941.519845.05790.8050910.08021.604355.70720.90831010.44521.6624
a—1阶模态;b—2阶模态。
图6 振动模态示意
4.3 结构稳定性分析
主拱圈为压弯构件,存在稳定问题。稳定问题往往成为大跨度拱桥设计的控制因素[9]。工程结构虽然均属第二类稳定,但第二类稳定计算复杂，因此工程领域广泛采用第一类稳定。特征值分析得到的是第一类稳定问题的解，能得到屈曲荷载和相应的失稳模态，特征值屈曲分析能够预测临界失稳力的大致所在，为进一步做非线性屈曲分析时所施加荷载的大小提供了依据，而且分析简单，计算速度快，因此在实际工程中应用非常广泛。灵瑞寺大桥在恒荷载作用下的稳定系数见表4，前两阶屈曲模态分析如图7所示，从表4、图7可以得出，该桥结构稳定性良好，安全可靠，满足JTG D62—2004要求。
表4 主桥使用阶段稳定系数
模态稳定系数模态稳定系数121.852646.851225.247752.647339.552853.003444.524961.303546.7941061.526
a—1阶失稳模态;b—2阶失稳模态。
图7 屈曲模态分析
衡阳灵瑞寺大桥采用了一系列新技术,本文进行深入的分析和研究后得出以下结论：
1)灵瑞寺大桥在设计时，通过优化拱轴线(由发散式渐变到收敛式)，拱肋间张拉水平系杆、吊杆等措施，有效地解决了拱脚的水平推力问题，提高了拱的横向稳定性。
2)主梁通过采用波纹钢腹板和钢桁架的组合结构，充分发挥了结构材料的受力特性，波形钢腹板解决纵向抗剪，钢桁解决横向抗弯，从源头上解决了传统箱梁结构自重大、抗裂性能差等问题，提高了主拱截面的效率和拱桥的经济跨越能力。
参考文献
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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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