淄博孝妇河钢箱系杆拱桥总体设计

陈 新，彭虹霖

（中铁长江交通设计集团有限公司，重庆 401120）

拟建桥梁昆仑桥位于S510 泉王线，路面宽15～17 m。现有桥梁为漫水桥，修建于2008 年，目前桥梁上游河道已按照1/20 洪水标准治理完成，河道断面底宽44 m，20 年一遇设计水位117.11 m。现状桥梁泄洪能力不满足河道防洪标准，桥梁墩台基础存在外露，缺乏安全防护措施，现状桥梁荷载等级不满足现行桥梁标准，本次拟将老桥拆除原址新建桥梁。

1 概述

为融入当地文化，新桥引入淄博春秋菱纹织物为设计元素，决定采用钢箱系杆拱。横断面在两侧布置2～3 m变宽人行专用道，保障了行人通行安全，提高了行车通畅性。根据桥梁所处地形及现场环境，桥位的东北和西南方向各有一座人行步道桥，周围空间通透，为保证观景视线最佳，选用散索网状吊杆体系。桥梁跨径布置为（7.125+33.75+7.125）m，总长56 m，如图1 所示。桥墩采用桩柱式桥墩，桥台采用重力式桥台桩基础。

2 技术标准

设计车速：60 km/h。

设计车道数：双向六车道。

桥面宽度：2～3 m（人行道）+1.5 m（吊杆区）+0.5 m（防撞护栏）+20.5 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+1.5 m（吊杆区）+2～3 m（人行道）=28.5～30.5 m。

汽车荷载等级：公路—Ⅰ级。

设计洪水频率：1/20。

地震基本烈度：7 度；地震动峰值加速度动峰值加速度为0.1 g。

安全等级：一级。

3 主要材料参数

3.1 Q345qD

钢主拱、钢箱系杆、钢桥面板和横梁等主要受力构件均采用Q345qD 钢材，其主要性能参数见表1、表2。

表1 钢材强度设计值

表2 钢材物理性能指标

3.2 Φ15.2 mm 环氧喷涂无黏结钢绞线

主拱吊杆采用15 根Φ15.2 mm 环氧喷涂无黏结钢绞线（fpk=1860MPa）缠包后外挤PE；索体外径Φ105mm。

3.3 混凝土

下部结构柱式墩墩身、桥台采用C35 混凝土，桩基础采用C30 水下混凝土。

4 结构设计

4.1 拱肋设计

拱轴理论跨径为33.75 m，计算矢高为6.75 m，矢跨比为1/5，理论拱轴线为二次抛物线。全桥共设两榀钢箱拱肋，拱肋截面为倒梯形，钢箱内高1 200 mm，内顶宽1 500 mm，内底宽800 mm，拱肋顶、底及腹板壁厚为24 mm，壁板纵向加劲肋为200 mm×20 mm，隔板间距1 000～1 800 mm。主拱拱脚处设置H 型副拱，高400 mm，宽1 500 mm，竖板板厚为24 mm，水平板板厚为20 mm（图2）。

为方便运输及吊装，每榀拱肋纵向划分为3 个节段，拱肋节段间连接采用全焊接。

4.2 主梁及桥面板设计

系梁断面采用带双边箱的正交异性板结构，边箱顶、底板水平设置，采用直腹板，边箱内高1 200 mm，内宽1 500 mm。全桥边箱内轮廓一致，底板、腹板加厚均向箱梁外侧增加。

箱梁顶板采用正交异性板，板宽2 600 mm，板厚20 mm，翼缘及边跨箱内均采用板式加劲肋。底板板厚为26 mm，腹板板厚为20 mm。系梁隔板间距分布为2.125 m 和2.25 m，垂直设置。

行车道板顶板为正交异性板，采用U 形加劲肋加劲，中心点及梁端拼缝处设置I 肋。顶板厚16 mm，宽20.4 m；端支点横梁腹板厚度为24 mm，底板厚度为40 mm，底板宽度为800 mm；其余横梁腹板厚度为14 mm，底板厚度为26 mm，底板宽度为600 mm。横梁与边箱外伸衔接段腹板等高，桥面横坡通过腹板变高调节，腹板间隔1 200～1 800 mm 设置一道竖向加劲，横梁间距同系梁隔板间距。

人行道板顶板位于边箱外侧，为板式加劲肋加劲正交异性板，顶板厚14 mm，板宽1 450～2 450 mm，人行道挑臂腹板厚12 mm，根部高度为600 mm，渐变至挑臂端部240 mm 高，挑臂底板厚16 mm，端300 mm。

为方便运输及吊装，每根系梁纵向划分为3 个节段，车行桥面板纵向划分为11 个节点，人行桥面板纵向划分为3 个节段，除横梁、顶板纵肋、挑梁腹板和底板采用栓接外，其余节段间连接采用全焊接（图3）。

图3 系杆构造图

4.3 吊索设计

每榀拱肋设置8 根厂制吊索，为不影响桥型空间视野，吊索采用倾斜布置，间距6.75 m，如图4 所示。经过多次试算，确定吊杆采用15 根Φ15.2 mm 环氧喷涂无黏结钢绞线（fpk=1860MPa），公称破断索力为3906kN，具体结果验算见表3。由于1#端吊杆长度较短（无应力长度为1.99 m），为不影响结构受力，1#吊杆改用Φ80 mm的钢拉杆代替无黏结钢绞线吊杆，破断力3 946 kN，其余2#—4#吊杆继续沿用钢绞线。钢拉杆相较于钢绞线吊杆不再含有上锚头、下锚头、连接头和调节杆等连接构件，在空间上适用于1#短吊杆。

表3 吊杆设计

图4 吊杆构造图

4.4 下部结构设计

0#、3#台身高7.849 m（桥梁结构中心线），1#、2#墩采用圆形花瓶墩形式，圆墩直径由2 m 渐变段过度，墩顶直径2.2 m，墩底直径1.6 m。桩基按照嵌岩桩设计，持力层为中风化泥岩，要求桩基嵌入中风化岩层有效深度大于等于7 倍桩径，且岩石的天然单轴抗压强度大于等于3.5 MPa。经过验算，桩径取1.8 m，桩长25 m，单桩设计承载力不小于11 830 kN。

5 结构分析

5.1 计算概述

结构计算采用MIDAS Civil 2021 建立三维有限元梁-板组合模型，按桥梁的实际施工过程进行模拟，对各施工及运营阶段的主拱、主梁、吊索等进行受力分析和验算，全桥结构的几何模型如图5 所示。斜拉索采用桁架单元，主拱采用空间梁单元。顶板加劲肋、主箱梁、横梁、翼缘均采用梁单元模拟，顶板采用板单元模拟以便准确分布其顶板纵、横向效应。

图5 空间有限元模型

5.2 主要构件计算结果

5.2.1 拱、梁纵向应力验算

静力计算结果表明：承载能力极限状态作用基本组合，主拱上缘最大正应力为107 MPa，主拱下缘最大正应力为119 MPa，主拱最大剪应力为26 MPa；副拱上缘最大正应力为96MPa，副拱下缘最大正应力为149MPa，副拱最大剪应力为14 MPa；钢桥面板最大正应力为104 MPa；系梁最大正应力为153 MPa；各主要纵向受力构件均不大于270 MPa，纵向应力验算满足要求。

5.2.2 钢桥面板应力计算

全桥钢桥面板最大长度为47.9 m，最大宽度为30.5 m，长宽比为1.57，总体为双向板受力。桥面板采用密横梁体系，横梁间距为2.25 m，根据计算：承载能力极限状态作用基本组合，钢桥面板最大纵向应力为105 MPa，最大横向应力为183 MPa，如图6—图7 所示。钢桥面板以横向受力为主，横梁最大应力为260MPa，横向应力满足规范要求。

图6 桥面板纵向应力

图7 桥面板横向应力

5.2.3 刚度计算

根据计算结果：结构在静活载作用下横桥向最大竖向变形为38 mm，小于L/500=23 000/500=46 mm，跨中最大竖向变形为28 mm，小于L/500=33 750=67.5 mm。结构整体刚度满足JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第4.2.3 条的要求。

5.2.4 疲劳计算

上部结构主要受力构件均为钢结构，且其对应的连接形式主要以焊接为主，因此由JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第5.5.4 条规定对结构进行了疲劳验算，在疲劳荷载Ⅰ的作用下，结构正应力幅和剪应力幅见表4。由计算可知：本桥各构件之间焊接设计可靠。

表4 疲劳验算 MPa

5.2.5 抗震计算

根据桥位所在道路等级、交通量及重要性，对本项目进行抗震验算。抗震设防标准按公路桥梁抗震设防类别中的C 类考虑，采用反应谱法对桥梁进行E1 和E2 地震作用分析。采用多重Ritz 向量法快速高效求解特征值。主桥的前5 阶周期、频率及振型描述见表5。

表5 结构固有特性

根据JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》对主桥采用反应谱法进行地震分析计算，验算了主墩及桩基在恒+E2 地震作用下，主墩不屈服，主墩、桩基均能保持弹性状态。地震力工况桥墩及桩基承载力验算见表6。

6 施工要点

桥梁施工主要步骤：施工水中钢栈桥，搭设施工钢平台；施工桥墩桩基础和桥台；施工墩柱，完成主梁支架搭设及预压；安装钢主梁；搭设拱肋支架，拼装主拱、副拱；主拱合龙后，拆除拱肋支撑支架；从中间往两边同时对称张拉吊索；拆除主梁支架，施工二期及桥面附属设施；调整吊杆力至设计成桥吊杆力。

7 结束语

本文对淄博昆仑桥的总体结构设计、计算及关键施工做了简要介绍。针对本项目横桥向跨度较大的受力特点，设计摒弃了传统的预应力混凝土结构的设计，采用了密横梁正交异性钢桥面板钢箱系杆拱桥。钢箱系杆拱桥外形美观、视野通透、受力明确，结构刚度大，能较好地适应与周边环境的融合。此外，采用钢桥结构能大大减轻上部结构的重量，对抗震有利。但由于受力杆件均为钢结构，构造设计、拼装精度、受力特点相对于混凝土结构都要复杂，重点体现在以受压为主的拱肋的稳定问题、钢构件之间焊接疲劳问题、吊索布置问题等。针对一系列钢结构自身的复杂受力特点，设计通过强度计算、刚度计算、稳定计算和疲劳计算确保了钢结构构件的安全性、耐久性。总体而言，桥型布置、结构尺寸拟定基本合理、结构轻盈，为今后同类桥梁结构设计提供了参考意义。