全焊连续桁梁-桁拱组合钢结构桥设计.pdf

全焊连续桁梁 一桁拱组合 钢结 构桥设计 曹海顺 ， 陈玮 ， 彭俊 ， 周 良 5 7 文章 编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 0 0 4 0 0 5 7 0 4 全焊连续桁梁 一桁拱组合钢结构桥 设计 曹海顺 ， 陈 玮 ， 彭 俊 ， 周 良 上海市城市建设设计研 究院， 上海 2 0 0 1 2 5 摘 要上海市嘉定区桃浦路蕴藻浜大桥主桥采用 6 6 m1 3 6 m下承式两跨连续桁梁一桁拱 组 合 结构 。承 重体 系为 由箱形或 H 形杆 件组 成 的 2片桁 架 ， 主跨 拱 肋及 边跨 桁 架均为 变 高度 N 形 桁 式 。标准段 拱肋 全 高 4 ． 6 m， 桁 架 高 8 ． 1 ～ 1 5 m， 宽 1 ． 1 m。2片桁 架之 间设 纵 、 横 联 及桥 门架 。 桥面由纵、 横梁体 系及正交异性钢桥面板形成。杆件之 间的连接均为焊接 。吊杆采用高强度平行 钢 丝 索。桥墩 为 两柱 式 ， 基础 采 用 1 ． 0 m 钻孔 灌 注桩 群桩 基础 。经验 算杆件 强度 和稳 定性 均满足 规 范要 求 ， 线性 屈 曲分析 表 明结构 整体稳 定 性较好 。 关键 词 钢桥 ； 桁 梁 ； 拱 形桁 架 ； 组 合 结构 ； 焊接 ； 结构 分析 ； 桥 梁设计 中 图分 类 号 U4 4 8 ． 3 6 ； U4 4 2 ． 5 文 献标 志码 A De s i g n o f Al l - W e l de d Hy b r i d S t e e l S t r u c t u r e Br i d g e o f Co n t i n u o u s Tr u s s Gi r d e r a nd Tr u s s Ar c h C AO Ha i s h u n，CHEN We i ，PENG Ju n，ZHOULi a n g S h a n g h a i Ur b a n C o n s t r u c t i o n De s i g n Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a n g h a i 2 0 0 1 2 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e ma i n b r i d g e o f Yu n z a o b a n g Ri v e r B r i d g e a t Ta o p u Ro a d，J i a d i n g Di s t r i c t ， Sha n gh a i Ci t y i s a hyb r i d s t r uc t ur e o f t wo s pa n c o nt i nuo us t hr o ug h t r us s g i r de r a nd t r us s a r c h wi t h s p a n a r r a n g e me n t 6 6 m 1 3 6 m．Th e l o a d c a r r y i n g s y s t e m o f t h e b r i d g e i s t h e t WO t r u s s e s m a de up o f bo x - s ha p e a nd H s ha p e me mbe r s a nd t he a r c h r i b s a t t he ma i n s p a n a n d t h e t r u s s e s a t t he s i d e s pa n a r e a l l o f N s ha pe t r u s s e s wi t h v a r i a bl e he i ght ． An a r c h r i b o f t he s t a nd a r d s e c t i o n i s 4 ．6 m i n t o t a l he i gh t ，a t r us s a t t he s i d e s p a n i s 8． 1～ 1 5 m i n he i g ht a nd 1 ． 1 m i n wi dt h． I n b e t we e n t h e t wo t r u s s e s，t he l o ng i t ud i na l a nd t r a ns v e r s e br a c i n gs a nd p or t a l f r a me s a r e a r r a ng e d ． The f l o o r s y s t e m of t h e br i d ge i s f o r me d b y t h e s t r i n ge r s，c r o s s be a m s a nd or t ho t r o pi c s t e e l de c k p l a t e s a nd a l l m e m b e r s of t he t r u s s e s a r e c o nn e c t e d b y we l d i ng ．The ha n ge r s f or t he a r c h a r e u s e d wi t h t he h i gh s t r e n gt h p a r a l l e l s t e e l wi r e s t r a nd s ． Th e p i e r s a r e t he t WO c o l u mn o ne s r e s t i n g o n t h e f o u n d a t i o n s o f 1 ． 0 m g r o u p b o r e d p i l e s ．Th e c h e c k i n g c a l c u l a t i o n o f t h e b r i d g e p r o v e s t h a t t he s t r e ng t h a n d s t a bi l i t y of t h e me mbe r s c a n s a t i s f y t he r e l e v a nt r e qu i r e me n t s i n t h e c od e s a n d t h e l i n e a r b u l k i n g a n a l y s i s d e mo n s t r a t e s t h a t t h e g l o b a l s t a b i l i t y o f t h e s t r u c t u r e i s q u i t e g o o d ． Ke y wo r ds s t e e l br i d ge；t r u s s gi r d e r ；a r c h s h a p e t r us s；hy b r i d s t r uc t ur e；we l di ng；s t r u c t u r a l a n a l ys i s；br i dge d e s i g n 1 工程概 况 桃浦路蕴藻浜大桥位 于上海市嘉定区 ， 是沟通 蕴藻浜西侧 1 1号线车站与东侧同济大学嘉定校区 的大型结构 。现状蕴藻浜在 该工程范 围内的河 宽 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 1 作者简介 曹海J N 1 9 7 8 - ， 男 ， 工程师 ，1 9 9 9年毕业 于长安大学公路与城市 道路工程专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 3年毕业于上 海同济 大学 桥梁工 程专业 ， 工学硕士 c h s _ b r i d g e _ t j 1 6 3 ． c o m 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 桥梁建设 2 0 1 0 年第 4期 6 5 m， 为 V级 内河 航 道 ， 水上 运输 比较 繁忙 ， 常 水位 标 高 2 ． 6 ～2 ． 8 m。嘉 定 区境 内地 势 平 坦 ， 东 北 略 高 ， 西南稍低 ， 平均海拔 3 ． 8 7 m 吴淞零点 。现状 工 程 附近主要 为农 田、 厂房 ， 属河 网化地 区 。地 基 土 在 钻探 深度 8 0 m 范 围 内属第 四纪全 新世 Q； ～上更 新 世 Q；的沉 积 层 ， 主要 由人 工 回填 土 、 粘 性 土 、 粉 下 性土 和砂性 土等 组成 。 蕴 藻浜 大桥 由主 桥 、 引 桥 组 成 ， 主 桥 采 用 6 6 r n 1 3 6 m下承式两跨连续桁梁 一桁拱组合结构 ， 主 结构钢 材 采 用 Q3 4 5 q C； 引 桥 采 用 预 应 力 } 昆凝 土 等 高度连续梁 。主桥桥面总宽 3 3 m， 2片桁架 的中心 间距 1 9 ． 4 m。主桥 立 面及横 断面 布置见 图 1 、 图 2 。 图 1 主 桥 立 面 布 置 堕 0- l_ 单位m m 图 2主桥横断面布置 2主 要技术 标准 1 道 路等 级 平 原微 丘 区二 级公 路 。 2 设 计车 速 8 0 k m／ h 。 3 桥 面 坡 度 纵 坡 一 4 ． 5 ～ 0 ． 3 ； 横 坡 一 2 ． 0 ～2 ． 0 O。 4 设 计荷 载 汽 车荷载 为公 路 一 I级 ， 人 群荷 载为 3 ． 5 k N ／ m 。 5 航道 标 准 规划 I I I 级 内河 航 道 ， 梁底 标 高不 低 于 1 0 ． 8 m 即通航 净 高 7 m ， 通 航 净 宽 不小 于 1 2 0 m， 顶宽 不小 于 9 0 m。 6 桥下 轨道交 通 1 1 号线 净空 轨顶 标高 6 ． 6 9 m， 净 高不 小于 6 ． 5 m。 7 抗震设防标准 地震动峰值加速度 0 ． 1 g 基 本烈度 7 度 ， 抗震设防类别 B类 ， 抗震 设防措施 8 级 。 8 桥面 宽度 6 ． 0 m 人 、 非混 行 道 2 ． 2 5 m 分隔带 1 6 ． 5 m 机动车道 4 - 2 ． 2 5 m 分 隔带 6 ． 0 m 人 、 非 混行 道 ， 全 宽 3 3 m。 3桥 式方 案 主桥桥 位处 的规划 道路 线形 边跨 为 R一4 0 0 r n ⑩单 位 m 圆曲线缓和曲线， 主跨 为缓和 曲线。考虑桥梁建 造方便， 设计轴线边跨采用 圆曲线， 主跨采用直线， 以拟合道 路线形 。根据相 交道 路 、 河道要 求 ， 跨 越蕴 藻浜 的 主跨 跨径 为 1 3 6 m， 跨 越 轨道 交通 1 1号线 和 规划二路的边跨跨径为 6 6 m。边跨 弯桥采用钢桁 梁结构， 属于经济跨径， 梁高适 中而不致给人笨重的 感觉 。桁架结构有利于抵抗弯桥在竖向荷载作用下 产生的“ 弯 一扭” 耦合作用。主跨采 用钢桁架拱结 构 ， 跨 径合 理 ， 同时也 可与 边跨保 持协 调 ， 两 者连续 ， 一 方 面减少 了桁 梁 侧 的跨 中弯 矩 ， 另 一 方 面也 增 加 了桁 梁和桁 拱 的刚度 及稳 定性 。采 用两跨 连续桁 梁 一 桁拱 组合 结构 ， 受力 合理 ， 经济 美 观 。 4主 桥结构 设计 4 ． 1 主跨拱 肋 主跨下 承式 桁拱 ， 桥墩 支座 中心距 离 1 3 5 iT I ， 由 于顺桥 向两侧 拱 脚 有 高 差 约 3 ． 2 m ， 拱 计 算 跨径 1 4 0 ． 1 4 I T I ， 矢高 2 2 ． 5 I n ， 矢 跨 比约 1 ／ 6 ， 拱 轴采 用 二 次抛 物 线 [ 】 3 。横 向采 用 两 榀 桁 架 拱 肋 ， 中 心 间距 1 9 ． 4 m， 拱 肋布 置在 机 、 非 分 隔区 内。 每 片拱肋 为 上 、 下 弦杆 组成 的桁式 结构 ， 标准段 弦杆 中心 问距 3 ． 6 m， 中墩 位 置 弦 杆 中 心 间距 1 5 m， 之 间 以 圆 曲线 斜 直 线 过 渡 。标 准段 拱 肋 全 高 4 ． 6 m， 宽 1 ． 1 I T I 。上 、 下弦杆均为宽 1 1 0 0 mm、 高 1 0 0 0 mm 的矩 形 箱 。上 弦杆 腹板 及上 、 下翼 板 的板 厚均为 2 0 mm。下弦杆腹板拱顶位置厚 2 0 mm， 拱 脚位置加厚至 4 0 mm； 下弦杆上、 下翼板拱顶位置 厚 2 0 mm， 拱脚 位 置 加 厚 至 2 5 mm。上 、 下 弦杆 之 间 的腹 杆呈 N 形 布置 ， 节间距 除 中墩 附近为 6 ． 7 5 r n 外 ， 其 余均 为 3 ． 3 7 5 m。腹 杆 一 般 采 用 H 型 钢 ， 杆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 全焊连续桁 梁一桁拱组合 钢结 构桥 设计 曹海顺 ， 陈玮 ， 彭俊 ， 周 良 5 9 件宽 1 1 0 0 mm， 高 3 0 0 5 0 0 mm， 翼 板厚 2 0 mm， 腹 板 厚 1 2 mm， 设 吊 杆 位 置 处 竖 腹 杆 的 腹 板 厚 2 O mm。在 中墩 附 近 ， 为 满 足 刚 度 要 求 ， 上 、 下 弦 杆 间 的斜腹 杆采用 箱形 截 面 ， 竖腹 杆 的翼板 加厚 。 4 ． 2 边跨 桁 架 边跨 N形下 承式 桁 架 ， 横 向采 用 2片桁 结 构 ， 中心 问距 1 9 ． 4 m， 桁 架 布 置在 机 、 非 分 隔 区 内 。 由 于边跨内桥面超高 ， 2片桁架边墩位置桁高不同， 南 片桁 高 8 ． 4 5 6 r n ， 北 片桁 高 8 ． 1 1 4 m， 中墩位 置 2片 桁 高均为 1 5 m， 之 间呈线性 变 化 。节 间距 6 ． 5 r n 。 每片桁 上 、 下 弦杆 及 腹 杆 均 为 箱形 截 面 。上 弦 杆宽 1 1 0 0 mm， 高 1 0 0 0 mm， 翼 板 厚 2 0 mm， 腹板 厚 1 6 mm。下弦杆宽 1 1 0 0 mm， 高 1 4 2 1 mm， 翼板 厚 2 0 mm， 腹 板厚 1 6 ～2 5 mm。腹 杆宽 1 1 0 0 mm， 高 8 0 0 mm， 翼 板厚 1 6 mm， 腹 板厚 2 0 mm。 4 ． 3 纵 、 横 联结 系 在 边跨 桁架 的 上 弦杆 平 面 ， 设 平 纵 联 。在 主跨 拱 肋 的上 、 下 弦杆平 面 ， 分别 设置 1 层 平纵 联 。桁架 平 纵联 、 拱 肋 下 平 纵 联 及 中墩 附 近 的 上 平 纵 联 为 “ 米” 字或“ K” 字单元 ， 且为桁架式， 其余位置的拱肋 上 平纵联 为“ I ” 字 单元 。平 、 纵联 各 杆 件采 用 工字 钢 宽 5 0 0 mm， 高 6 0 0 mm， 翼板 厚 2 0 mm， 腹 板厚 1 2 mm 。 边跨 桁架 在边 墩 、 中墩 位 置 设 桥 门架 。边 墩 桥 门架 为板 式 ， 设 在 端 斜 杆 平 面 内 ； 中墩 桥 门架 为 桁 式 ， 设 在竖 杆平 面 内 。主跨 拱肋 的 2层平 、 纵 联之 间 设横联。横联 各杆件 采用工 字钢 宽 3 0 0 mm， 高 3 0 0 mm， 翼板厚 l 6 mm， 腹 板 厚 1 2 mm 。 全 桥 的纵 、 横 联结 系 布置见 图 3 。 桥 图 3纵 、 横 联 结 系布 置 4 ． 4 桥 面系 桥面 由纵 、 横梁体系及正交异性钢桥面板形成 。 桥 面在每 片桁架 位 置 各设 1道 纵 梁 ， 吊杆 或 竖 腹 杆 位置设 主 横梁 ， 主 横 梁之 间增 设 1根 副横 梁 。纵 梁 连续并 预 留与横 梁 的连 接板 ， 纵梁 上 翼 缘 伸 出腹板 2 0 0 mm 以便 与桥 面 板连 接 。边 跨 的桥 面纵 梁 即 为 桁架的下弦杆 ， 主跨 的桥面纵梁构 造与边跨相 同。 主、 副横梁均为倒 T形截面， 跨 中高 1 ． 6 m。主横梁 翼板宽 5 0 0 mm， 厚 2 0 mm， 腹板厚 1 2 mm； 副横梁 翼板宽 3 5 0 mm， 厚 1 6 mm， 腹板厚 1 2 mm。车行道 范 围内设置 2道 倒 T 形 小 纵 梁 高 1 ． 0 m， 翼 板 宽 3 0 0 mm， 厚 1 6 mm， 腹板 厚 1 2 ram 。桥 面车行 道顶 板 厚 1 6 mm， 采 用 U 形 闭 口肋 加 劲 ， 标 准 间距 6 0 0 mm。人行道顶板厚 1 6 mm， 采用平钢板加劲肋 ， 标 准 间距 4 0 0 mm。 考 虑运 输条 件 的 限 制 ， 拱 肋 、 桁 架 、 纵 横 联 结 系 及 桥面 系均 分 段 、 分块 在 工 厂 制 造 ， 工 地 安装 _ 2 ] ， 杆 件 之 间的连接 均 为焊接 。 4 ． 5 吊杆 主跨 共设 1 9对 吊杆 ， 纵 向 间距 6 ． 7 5 m。每个 吊点均为双吊杆 ， 单根 吊杆采用 3 7丝 4 , 7 mm 镀锌 平行 钢丝 索 ， 钢 丝标 准 强度 1 6 7 0 MP a ， 外 包 P E防 护套 ， 冷铸 墩头 锚具 ， 上端 锚 固于拱 肋下 弦杆上 的锚 箱 ， 下 端锚 固于纵梁 底 。 吊杆 在拱肋 端 张拉 ， 安 全 系 数大 于 2 ． 5 。 4 ． 6 下部 结构 桥 墩 为两柱 式 ， 横 向 中心 间距 1 9 ． 4 m， 墩 柱 间 不设横 系梁 ， 单个 墩 柱顶 截 面 为 2 ． 2 m2 ． 2 m， 沿 墩 柱 以 1 2 0渐 变得 到柱底 截 面 。每 个墩 柱下设 矩 形 承 台 厚 1 ． 8 ～ 2 ． 0 m 。群 桩 基 础 采 用 声 1 0 0 0 mm钻 孔 灌注桩 ， 桩 长 5 3 ～6 0 I 1 3 ． 。 5 结构 分析 计算 5 ． 1 静 力分 析 利用有 限元 程序对结 构进行空 间静 力分析 ， 采用 板单元 、 杆单元和梁单元进行混合建模 ， 模型见图 4 。 图 4静 力 计 算 模 型 分 析 中 ， 主桥 上部 结构 采用 少支 架 的施 工方 法 ， 计入恒载、 活载、 整体升降温、 体系温差、 横向静风荷 载 、 汽 车 制 动 力 和 支 座 沉 降 等 的 作 用 。整 体 升 温 3 8 ． 1℃， 整体降温一3 4 ． 7℃； 体系温差 中吊杆与结 构相差1 0℃； 支座不均匀沉降为 5 c m。 按组合 工、 组合 I I 2种工况对结果进行分析口 ] 组合 I， 基本 可变 荷载 汽车 、 人群 的一 种或 几种 与 永久荷载 恒载 、 沉 降 的一种或几种 相组合 ； 组合 Ⅱ， 基本可变荷载 汽车 、 人群 的一种或几种与永久 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 桥梁建 设 2 0 1 0年第 4期 荷载 恒载、 沉降 的一种或几种与其他可变荷载 风 力 、 汽车制动力、 温度力 的一种或几种相组合 。对 结构强 度和稳 定性 的验算 采用 2种方 法 ① 将 程序 输 出 的杆 件应力 结果 与钢 材 的容许 应 力 比较 ； ② 由 程序输出内力 ， 根据 公路桥涵钢结构及木结构设计 规 范 J T J 0 2 5 8 6 E 4 3 进行 杆件 验算 。 方法 ①结构 杆件 应力 结果见 表 1 、 表 2 。计算 结 果 表 明 边跨桁 架 上 弦杆 受 压 ， 下 弦 杆受 拉 ， 在 中墩 附近受较大弯矩作用 ， 腹杆的轴力呈拉压交替 ； 主跨 桁拱 上 、 下 弦杆 以受 压为 主 ， 在 中墩 附近上 弦杆受 较 大弯矩作用 ， 腹杆基本为轴心受力杆件 ， 轴力呈拉压 交替。纵梁以受拉为主， 在中墩附近受较大弯矩。 表 1组合 I结构 杆件正应力 MP a 注 表中压应力 为“ 一” ， 下 同。 表 2 组合 Ⅱ结构杆件正应力 MP a 方法 ②杆 件验算 原则 如下 根据 组合 I、 组 合 Ⅱ 的内力结果 ， 分 别按轴 心受 拉杆 件 、 受 压并 受斜 弯 曲 杆件 、 受拉并受斜弯曲杆件进行法向应力的验算 ； 分 别按轴心受压杆件、 受压并在一个主平面内受弯 曲 杆件进行稳定性验算 ； 分别按受拉杆件 、 以拉为主兼 受压的杆件 、 以压为主兼 受拉 的杆件进行疲劳强度 验算。各杆件的几何长度按规范计算 自由长度， 分 别按截 面 的 2个对 称轴 验算 杆件 的长 细 比。结果 表 明 各杆件的强度均能满足规范要求 ； 桁拱中墩附近 的腹杆截面加大后， 刚度能满足规范要求， 其余杆件 的刚度验算均满足规范要求 J 。 在 汽车荷 载作 用下 ， 主跨 正 、 负 挠度 的最 大绝对 值之和为 5 6 mm， 边跨正、 负挠度 的最大绝对值 之 和为 1 9 mm， 结构整体刚度满足规范要求H ] 。 5 ． 2 稳 定分 析 稳定分析 中把结构模拟为由板单元 、 杆单元和 梁单元的混合模型 ， 进行线性屈 曲分析。按 4种工 况进行稳定性分析 工况 1 ， 结构恒载主跨跨中最 大挠度状态时的移动荷载 ； 工况 2 ， 结构恒载 边跨 跨 中最小 挠度 状态 时 的移 动荷 载 ； 工况 3 ， 结 构 恒载 全桥对 称布 置移 动荷 载 ； 工况 4 ， 结 构 恒载 全 桥 偏载布置移动荷载。各种工况下主跨靠边墩的横撑 首先失稳 ， 然后 发生整体失稳且 均为拱肋的侧倾。 计算 结果 见表 3 。表 中所列 各 工况 的最 后一 阶稳 定 系数为结构发生整体失稳 的值。结果表明， 对于该 结构 ， 只要 板件 的宽 厚 比或 构件 的长 细 比满 足规 范 要求 ， 结构的整体稳定亦可满足规范要求 。设计 中， 为 了减小 主跨边 墩 附近 的拱肋 在横桥 向风荷载 作用 下的水平位移 ， 水平 位移 与高度 之 比的最大 值为 2 7 ． 3 ／ 6 8 8 5 1 ／ 2 5 2 1 ／ 2 5 0 ， 采用 了上述 的纵 、 横 联 结系布置 ， 结构的整体稳定性较好。 表 3各工况的稳定 系数 6 结 语 桃浦路蕴藻浜大桥采用两跨连续桁梁一桁拱组 合钢结构， 既有利于抵抗弯桥在荷载作用下的“ 弯一 扭” 耦合效应 ， 又满足了景观要求 。全桥杆件均采用 焊 接连 接 ， 方 便 了不对 称结构 的 连接构 造 ， 生 成效 率 高。目前该桥主体结构已竣工。 参 考 文 献 E l i 曹海顺．浦东新区钢管混凝土桁架 系杆拱桥 的设计 实 践 E J ] ．上海公路 ， 2 0 0 8 ， 2 4 4 4 9 ． CAO Ha i s h u n ． De s i g n P r a c t i c e o f Co n c r e t e - F i l l e d St e e l Tub e Tr us s Ti e d Ar c h Br i d ge s i n Pu do ng Ne w Di s t r i c t E J ] ．S h a n g h a i Hi g h wa y s ，2 0 0 8 ， 2 4 4 4 9 ． i n Ch i n e s e E 2 ] 肖海珠 ， 徐伟 ， 高宗余．安庆铁 路长江大 桥设计[ J ] ． 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ， 5 6 8 ． XI A0 H a z h u，XU W e i ，GAO Zo ng yu ． De s i gn of An q i n g C h a n g j i a n g Ri v e r R a i l w a y B r i d g e [ J ] ．B r i d g e Co n s t r u c t i o n，2 0 0 9 ， 5 6 ～ 8 ． i n C h i n e s e E 3 ] T B 1 0 0 0 2 ． 2 2 0 0 5 ， 铁路桥梁钢结构设计规范[ s ] ． E 4 3 J T J 0 2 5 8 6 ， 公路桥涵钢结构及木结构设计规范E s ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m