大跨度下承式钢箱提篮拱桥设计

大跨度下承式钢箱提篮拱桥设计

摘要：下承式钢箱提篮拱桥兼具简支梁桥对地基的适应性及拱桥的跨越能力，又具有优美的线型及轻盈的外观，是目前大跨径城市桥梁中优先考虑的桥型方案。本文结合韶关市金凤大桥的结构设计思路来探讨该类桥梁的设计要点及力学性能，为同类建设条件下的桥梁设计提供参考。

关键词：下承式钢箱提篮拱；应力验算；桥梁设计

0 引言

下承式钢箱提篮拱桥是由拱肋、吊杆、系杆、桥面系等组成的外部静定而内部超静定的桥梁结构[1]。它保持了拱桥的力学特性及强大的跨越能力，同时拱圈的波浪造型又具有飘逸的美感，在现代城市桥梁中备受青睐。与此同时，为了满足桥梁创新性发展需求，对钢箱提篮拱桥结构力学特性、抗震性能及创新改良方向的深入研究也成为当前重要的工程课题。

1 工程概况

韶关市金凤大桥建设工程位于韶关市西河片区与十里亭片区交界处，路线呈南北走向，跨越武江连接省道S248，路线全长 1548米，为城市主干道，双向六车道。桥位处武江桥面宽度达260m，为Ⅲ级航道，综合考虑桥位处路线走向与水流方向的夹角、通航净宽、桥墩紊流区[2]宽度等设计因素及经济性、景观性等客观因素，金凤大桥主跨采用下承式钢箱系杆拱桥方案，主跨跨径为185 m，设计速度50km/h，该处地震动峰值加速度为0.05g[3]。

2 主桥结构设计

2.1 总体设计

金凤大桥桥跨组合为2×30m+60m+185m+60m+3×30m，桥梁全长460m，主桥标准横断面为2.5m人行道+ 4m拱肋+3m非机动车道+11.5m机动车+ 0.5m防撞墙

+11.5m机动车+ 4m拱肋+3m非机动车道+2.5m人行道=42.5m。主桥为单跨185m 跨下承式钢箱提篮拱桥，引桥上部采用预应力混凝土现浇箱梁及简支钢箱梁，下部结构主墩采用门式墩，引桥采用方柱墩，桥台为柱式台、座板式台，桩基为钻孔灌注桩基础。

图1 主桥总体布置图（单位:cm）

2.2 主桥上部结构设计

主桥结构为提篮式钢箱拱，由矩形钢箱拱肋，分离式钢箱系梁，柔性吊杆与整体桥面系组成。主拱跨度185m，立面矢高约41.11m，主拱矢跨比为1/4.5，拱轴线采用二次抛物线，主拱肋按72°内倾。拱肋箱型截面宽2.5m，截面高由钢箱拱假想起点3.87m(主拱与主梁相交处截面)均匀渐变至拱顶点的3.0m。主拱标准段顶、底、腹板厚30mm。拱梁节点段主拱顶、底、腹板厚40mm。两片拱肋通过5道钢箱横撑连为一体。

吊杆采用锚管式锚固体系，水平布置间距为8m，采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索，抗拉强度1770MPa，直径φ7mm。水平系杆材料采用1860MPa直径

Φs15.20mm的钢绞线。

拱桥主梁为等截面钢箱-混凝土组合梁结构。全高4.25m，全宽42.5ｍ。组合梁钢梁材质为Q345qC，为主纵梁（闭口边箱梁）、中横梁、端横梁、小纵梁组成的双主梁梁格体系。

2.3 主桥下部结构设计

主墩基础采用钻孔灌注桩，每个墩下设9根φ2.2m的钻孔灌注桩，承台厚5m。承台底设25cm厚砼垫层。

主桥墩为圆端形流线门型桥墩，普通钢筋混凝土结构，墩顶为单肢尺寸为7.0×6.0m实心截面，墩顶横梁为矩形实心截面，宽7.0m，高由跨中至根部为2.2m~4.5m。横梁上设置加高块，作为引桥的支承。

3 结构受力分析

3.1 静力分析

本文运用有限元软件MIDAS /CIVIL对主桥进行建模计算，其中拱肋及桥面采用梁单元模拟，吊杆及系杆采用桁架单元模拟，考虑恒载、活载、温度荷载及风载作用下，承载能力极限状态构件强度及稳定性验算如下：

图2 基本组合下应力包络图（单位:MPa）

在基本组合作用下，全桥应力最大，拱脚处最大压应力达228.8MPa，主纵梁最大拉应力84.1MPa，均小于Q345C 钢材抗拉、抗压强度设计值270MPa，满足设计要求。

3.2 动力分析

结构的自振特性[4]体现了结构刚度水平，同时也是后续进行抗震性能分析的基础。基于前述模型，本文采用子空间迭代法[5]对全桥结构进行特征值分析，前五阶自振模态图例结果如下：

图3-1第一阶振型图

图3-2第二阶振型

图

图3-3第三阶振型

图

图3-4第四阶振型图

图3-5第五阶振型图

表1全桥前5阶动力特性表

通过模型计算得到该提篮拱桥结构的基频为0.702Hz，前五阶自振频率在0.7~2.2Hz之间，而汽车的自振频率为2~5Hz，两者不会产生明显谐振。

4 结语

韶关金凤大桥在满足桥梁的安全型和耐久性设计前提下，间距观赏性，其拱桥独有的轻巧灵动感将成为地标性建筑为所在区域交通增添色彩。本文通过对该桥梁设计方案及计算分析过程的探讨，为同类桥梁的建设积累了宝贵经验。

参考文献：

[1]殷涛,丁楠.钢箱拱肋提篮拱桥设计分析[J].工程与建

设,2020,34(05):844-846+849.

[2]刘安兴.某大跨度下承式钢箱提篮拱桥力学性能分析[J].公

路,2020,65(03):121-126.

[3]GB18306-2015，中国地震动参数区划图[S].

[3]田卿,何俊荣,尹邦武,闫海青,张灿.中承式钢箱提篮拱桥设计[J].世界桥梁,2020,48(01):11-16.

[4]黄永明,何旭辉,邹云峰,史康,左太辉,李玲瑶.基于ANSYS和SIMPACK联合仿真的大跨钢箱提篮拱桥车-桥耦合振动分析[J].长安大学学报(自然科学版),2019,39(05):68-77

[5]户东阳. 高速铁路大跨度钢箱提篮拱桥动力特性及地震响应分析[D].中南大学,2011.