白 龍(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司, 甘肅 蘭州 730000)

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大跨度橋梁鋼桁架景觀拱設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

白 龍
(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司, 甘肅 蘭州 730000)

介紹了永靖縣黃河上的橋梁結(jié)構(gòu)的景觀設(shè)計(jì)要點(diǎn),并對(duì)大跨度鋼桁架景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算,并對(duì)結(jié)構(gòu)本身從設(shè)計(jì),制造,施工等方面進(jìn)行了一些細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì),給今后的橋梁結(jié)構(gòu)景觀設(shè)計(jì)提供了參考.

橋梁工程; 景觀設(shè)計(jì); 鋼桁架組合拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 構(gòu)造設(shè)計(jì)

永靖黃河橋?yàn)榭缭近S河的連續(xù)梁橋,地處黃河S彎道,考慮到本橋所處的特殊地理位置并結(jié)合區(qū)域文化特點(diǎn),對(duì)本橋進(jìn)行景觀設(shè)計(jì).

該橋推薦方案是在(70+128+70)m連續(xù)梁橋上設(shè)置鋼桁架組合拱橋,主拱肋跨度為(71+128+71)m,全長270 m.主拱下弦矢跨比為1/4.267,矢高為30 m.鋼桁拱上下弦桿采用Φ1 000×12 mm空鋼管,拱腳部分采用鋼管混凝土.腹桿采用Φ377×9 mm鋼管,兩主拱鋼桁之間設(shè)置米字型橫撐相連.下弦桿采用二次拋物線,上弦桿采用三條二次拋物線擬合而成,三條曲線在拱腳處反向過渡,最終平切于橋面之上,與主橋形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu),該橋景觀效果圖見圖1.

圖1 永靖黃河橋景觀設(shè)計(jì)效果圖

1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

永靖縣作為黃河上游重要城市,城市建設(shè)日新月異,社會(huì)發(fā)展蒸蒸日上.橋梁的設(shè)計(jì)不僅要體現(xiàn)歷史文化,更要體現(xiàn)繼往開來、與時(shí)俱進(jìn)的和諧發(fā)展理念.方案固然要?jiǎng)e出心裁,但更重要的是將其與城市總體規(guī)劃融為一體,以現(xiàn)代的方式進(jìn)行橋梁的方案設(shè)計(jì),體現(xiàn)和諧獨(dú)特的黃河文化.

(1) 該橋的景觀源自傳統(tǒng)的拱橋,但它又突破了傳統(tǒng)的拱橋外形的單一效果,上弦在拱腳處采用反向曲線平順過渡,最終相切于橋面之上,突破了傳統(tǒng)拱橋在拱腳處的不連續(xù)之感,使全橋形成整體的曲線之美.下弦主跨采用二次拋物線,并用合理的矢跨比,構(gòu)成了和諧的失跨黃金分割比例,邊跨下弦與主橋梁底曲線一致,和諧順暢.

(2) 鋼桁架的結(jié)構(gòu)體系宏偉大方,洋溢著現(xiàn)代化的工業(yè)氣息.

(3) 永靖縣為恐龍之鄉(xiāng),本方案的設(shè)計(jì)整體效果也猶如雙“龍”相棲,具有濃厚的地方文化特色.

(4) 方案的整體設(shè)計(jì)景觀表現(xiàn)以水平連續(xù)和延伸為主,梁體的結(jié)構(gòu)、造型、色彩具有縱向視覺的連續(xù)性,全橋的曲線風(fēng)格造型統(tǒng)一協(xié)調(diào).

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

景觀拱結(jié)構(gòu)雖然不承受主結(jié)構(gòu)恒活載的作用,但是作為拱結(jié)構(gòu),它需承受本身鋼管的自重載荷,溫度載荷以及風(fēng)載荷作用,必須驗(yàn)證在各種載荷作用下的主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度,另外在地震作用下主拱對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響作用也不得忽視.

(1) 結(jié)構(gòu)徑厚比的確定.根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,圓鋼管的外徑與壁厚之比不應(yīng)超過100,且支管的壁厚不應(yīng)大于主管;本橋景觀設(shè)計(jì)主要為空鋼管,上下弦桿直徑為1 000 mm,根據(jù)最小的徑厚比,考慮到一定的安全系數(shù),取其壁厚為12 mm,則主拱徑厚比為1 000/12=83.3;腹桿及橫撐為支管,直徑為377 mm,取其壁厚為9 mm.

(2) 腹桿及橫撐型式的確定.鋼管拱橋腹桿的常見設(shè)置型式有K撐,W撐及P撐等型式,K撐及P撐受力性能較好,P撐單根桿件受力相對(duì)較大,但簡(jiǎn)潔明確,結(jié)景觀效果較好,考慮到本桁架拱為景觀拱,不參與主體結(jié)構(gòu)的受力,因此選擇P撐作為腹桿的連接方式,僅在長度較大的拱腳處做部分加強(qiáng)的K撐,不影響結(jié)構(gòu)的整體美觀效果;由于本橋景觀為整體空間桁架結(jié)構(gòu),受到凈空限制,邊跨橫撐設(shè)置相對(duì)較少,因此采用了較強(qiáng)的米字型橫撐,以加強(qiáng)橫橋向的整體穩(wěn)定性.

(3) 結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力及穩(wěn)定性的驗(yàn)算

① 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的確定

本橋景觀桁架拱結(jié)構(gòu)采用有限元midas civil程序平面桿系單元建模,全橋共115個(gè)單元,116個(gè)節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)10、13為邊跨支點(diǎn),節(jié)點(diǎn)11、12為中跨支點(diǎn).計(jì)算中考慮恒載、活載、風(fēng)載荷、地震作用組合.結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示.

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Structure calculation model

經(jīng)過計(jì)算,結(jié)構(gòu)的主要縱向變形由溫度載荷引起,當(dāng)中跨邊跨均采用固結(jié)約束時(shí),結(jié)構(gòu)邊跨由于次彎矩引起的應(yīng)力明顯增大,應(yīng)力幅值顯著增高,并對(duì)過渡墩產(chǎn)生較大的水平推力.因此該橋模型采用主跨支點(diǎn)固結(jié)約束,邊跨支點(diǎn)僅釋放X(縱向)約束,使主拱縱向能夠自由變形.經(jīng)過調(diào)整以后計(jì)算結(jié)果顯示,在基本組合作用下,結(jié)構(gòu)的縱向最大變形為30 mm,相對(duì)變形不大,預(yù)留空隙能夠滿足主拱鋼管變形要求.

拱腳處應(yīng)力圖如圖3所示,在基本組合作用下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布從拱頂至拱腳逐漸增大,上弦桿變化較為均勻,在拱腳處增大后向邊支點(diǎn)逐漸減小,下弦桿拱腳處應(yīng)力有較大突變,部分腹桿應(yīng)力也較大,考慮到受力的安全性,采用下弦桿拱腳處向兩側(cè)應(yīng)力較大的部位及拱腳豎向腹桿采用部分鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(見圖4),以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)拱腳的剛度及強(qiáng)度,以結(jié)構(gòu)受力合理安全.

圖3 拱腳處應(yīng)力圖Fig.3 Arch springing stress diagram

② 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

通過midas有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立景觀拱的模型,拱肋及連接桿件采用空鋼管梁?jiǎn)卧?拱腳處鋼管混凝土節(jié)段采用組合截面進(jìn)行模擬,對(duì)自重,溫度及風(fēng)載荷組合作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算.

通過計(jì)算,在載荷基本組合作用下,拱腳截面處節(jié)段上下弦桿及腹桿應(yīng)力最大,邊跨由于其橫向連接相對(duì)較弱,跨中節(jié)段應(yīng)力較大,對(duì)應(yīng)力較大的單元,驗(yàn)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求;結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力變化較為均勻,均滿足鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性也滿足要求.

通過計(jì)算,11、12號(hào)支點(diǎn)的載荷豎向反力較大,10、13號(hào)支點(diǎn)的水平反力較大,分別將各墩頂產(chǎn)生的水平和豎向反力作為墩頂作用力與主結(jié)構(gòu)的上部恒活載反力進(jìn)行組合驗(yàn)算,下部結(jié)構(gòu)承載力均滿足要求.

通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜計(jì)算,在偶然載荷組合下,結(jié)構(gòu)景觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用遠(yuǎn)小于橫向風(fēng)力作用,抗震驗(yàn)算不控制結(jié)構(gòu)受力.

圖4 拱腳鋼管混凝土節(jié)段布置圖Fig.4 Arrangement plan of concrete-filled steel tubular section of arch springing

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

為了景觀結(jié)構(gòu)整體功能,同時(shí)在景觀拱上設(shè)置一些構(gòu)造措施,保證其使用安全,受力合理,美觀大方.

(1) 截面過渡.由于主拱下弦拱腳處為鋼管混凝土截面,其余截面均為空鋼管,這樣在實(shí)腹及空腹截面交接處便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突變現(xiàn)象,為此在實(shí)腹與空腹交界處的隔倉板外側(cè)設(shè)置沿縱向漸變的梯形加勁鋼板,應(yīng)力通過加勁鋼板剛度的變化逐漸過渡,改變了鋼管應(yīng)力突變的現(xiàn)象(如圖5所示).

(2) 拱腳約束.本景觀拱主拱腳及邊孔拱腳處為固定約束,為了加強(qiáng)拱腳受力的可靠性,拱腳擋塊混凝土分兩次澆筑,先澆筑核心混凝土,架設(shè)拱肋后再澆筑二期混凝土,這樣可以增強(qiáng)新舊混凝土的結(jié)合面,同時(shí)有利于拱肋的架設(shè);另外,保證拱腳拱肋埋入混凝土1倍的管徑以上,同時(shí)在拱肋的拱腳鋼管外表梅花形布置豎向的針刺鋼筋,加強(qiáng)拱腳的穩(wěn)定性(如圖6所示).

圖6 拱腳約束示意圖Fig.6 Schematic diagram of arch springing restraint

(3) 吊桿設(shè)計(jì).本景觀拱吊桿僅起到裝飾性作用,因此吊桿采用不受力的精軋螺紋鋼筋,并在其外側(cè)外包哈佛外套管,并填充密實(shí);在主拱下弦鋼管的外側(cè)焊接六面體的異型鋼吊箱,吊桿頂端通過螺母錨固于吊箱內(nèi),螺母下緣墊上能夠適應(yīng)主橋箱梁變形能力的彈簧墊圈,以抵消由于主梁豎向變形引起的吊桿拉力;吊桿的底端在與橋面接觸處設(shè)置楔形的橡膠減震體后,穿過箱梁翼緣板預(yù)埋鋼管錨固于翼緣板底緣(如圖7所示).

4)截面加勁措施:為了增加空鋼管的截面剛度以及防止在空鋼管節(jié)段運(yùn)輸安裝過程中的屈曲變形,在鋼管內(nèi)側(cè)每隔4m設(shè)置一道角鋼十字撐,每隔2 m設(shè)置一道環(huán)向的加勁鋼筋,鋼筋與十字撐交錯(cuò)布置,并在每節(jié)節(jié)段的端頭處用角鋼十字撐加強(qiáng)(如圖8所示).

圖7 吊桿設(shè)計(jì)示意圖
Fig.7 Schematic design of boom

圖8 截面加勁示意圖Fig.8 Sketch map of section reinforcement

(5) 橫向限位裝置:受到橋面行車凈空的影響,本橋景觀拱邊跨兩片桁架之間的橫向聯(lián)系較為薄弱,邊跨整體剛度較小,邊跨跨徑較大達(dá)到71 m,在風(fēng)載荷作用下,邊跨橫橋向會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的變形,為了限制其橫橋向的位移,在邊孔縱橋向1/3L和2/3L處設(shè)置橫橋向的限位裝置(限位裝置由鋼箱裝置及沿縱橋向滑動(dòng)的滑板支座組成),只限制拱肋橫橋向的變形,縱橋向可以自由滑動(dòng)(如圖9所示).

圖9 橫向限位裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of transverse limiting device

(6) 橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)安裝構(gòu)造設(shè)計(jì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,必須考慮其安裝條件,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要保證安裝便于實(shí)現(xiàn),同時(shí)連接可靠.

對(duì)于本橋的鋼管安裝,例如合攏段以及弦桿與橫撐之間的圓頭拼裝,施工中很難下料,焊縫質(zhì)量亦難以得到保證.因此采用外包鋼板焊接的方式進(jìn)行拼接,在主拱弦桿制作過程中就制作好端接頭,待橫撐下料到位后,用外包鋼板將接頭焊接起來.這樣下料容易,又能很好的保證構(gòu)件連接的質(zhì)量(如圖10所示).

圖10 橫向聯(lián)系安裝構(gòu)造置示意圖Fig.10 Schematic diagram of horizontal connection installation structure

4 結(jié) 論

橋梁景觀設(shè)計(jì)已經(jīng)成為市場(chǎng)的需要,特別是城市橋梁,成為設(shè)計(jì)中必須考慮的因素,越來越多的橋梁需要表達(dá)時(shí)代寓意,地方特色.設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初就要考慮景觀設(shè)計(jì)規(guī)劃,要認(rèn)識(shí)到橋梁作為一種跨越紐帶,對(duì)于城市的地標(biāo)意義.根據(jù)該橋的計(jì)算及設(shè)計(jì),可以形成以下結(jié)論,對(duì)景觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考意義:

(1) 景觀拱結(jié)構(gòu)雖非主要受力構(gòu)件,但其本身結(jié)構(gòu)的自重、風(fēng)載荷、溫度載荷以及地震作用都需要進(jìn)行考慮并進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算.

(2) 主拱結(jié)構(gòu)縱向溫度力作用較大,通過使邊跨釋放縱向約束,結(jié)構(gòu)縱向變形不大,但能夠很好的減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力,有利于結(jié)構(gòu)的受力.

(3) 主拱支點(diǎn)兩側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值相對(duì)較大,采用部分鋼管混凝土可以增加結(jié)構(gòu)的抗力.

(4) 通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)受力安全,安裝方便、可靠:

① 對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度變化較大的部位(空鋼管與鋼管混凝土的過渡段),通過設(shè)置剛度變化的隔倉板可以很好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的變化,避免結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

② 拱腳鋼-混凝土的連接部位通過設(shè)置針刺鋼筋及混凝土的分批澆筑實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可靠連接.

③ 通過空鋼管內(nèi)設(shè)置環(huán)向加勁鋼筋和十字撐的方式來增加主拱空鋼管的剛度,以免引起空鋼管局部失穩(wěn).

④ 對(duì)景觀拱吊桿增加彈簧墊圈和減震體來減少其參與結(jié)構(gòu)受力,避免主梁變形引起的豎向拉力.

⑤ 通過設(shè)置橫向限位裝置來限制邊跨橫橋向風(fēng)載荷引起的結(jié)構(gòu)變形.

⑥ 對(duì)于鋼桁架節(jié)段采用外包鋼板焊接的方式來減少節(jié)段安裝的工序,增加結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量.

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【責(zé)任編輯: 肖景魁】

Key Technology of Landscape Arch Design of Long-Span Bridge Structure

BaiLong

(Gansu Province Transportation Planning, Survey & Design Institute Co. Ltd., Lanzhou 730000, China)

Based on a bridge on the Yellow River in Yongjing County, this paper introduces the main points of the landscape design of structure. The structure of large span steel truss are analyzed, and some detailed design is done for the structural design and mechanical design, considering manufacturing and construction. The research result can provide reference for bridge landscape design in the future.

bridge engineering; landscape design; structural design of composite steel truss arch bridge; mechanical design

2016-12-28

白 龍(1983-),男,陜西渭南人,甘肅省交通規(guī)劃勘查設(shè)計(jì)院股份有限公司工程師.

2095-5456(2017)03-0244-06

U 442.5

A