道路桥梁与渡河工程论文
摘 要： 伊拉克阿玛拉桥为（71.5+71.5）m独塔部分斜拉桥，桥面全宽20m，设双向4车道及人行道，战时可供军用特殊车辆通行。桥塔采用钢结构，由2个相同的椭圆形门式塔圈纵向并列组成，纵向通过钢管撑连接形成整体。主梁由纵、横梁体系的钢梁通过剪力钉与钢筋混凝土桥面板相连接，形成钢-混凝土结合梁。斜拉索采用空间竖琴形双索面布置的PES 7-55镀锌高强钢丝拉索。根据桥梁结构特点以及桥址区建桥条件，采用了支架法施工主梁、塔梁同步架设的方案施工。该桥按照英国标准进行设计，利用空间有限元软件对桥梁进行结构分析，结果表明桥梁结构的刚度、强度、稳定及疲劳性能均满足规范要求。
关键词： 独塔部分斜拉桥; 钢桥塔; 钢-混凝土结合梁; 斜拉索; 有限元法; 支架法施工; 桥梁设计;
Abstract： The Emarah Stayed Bridge takes the form of a mono-pylon extradosed structure which consists of two equal spans of 71.5 m.The bridge deck is 20 min full width,accommodating dual four traffic lanes and a footway on each side that can be available for military vehicles in wartime.The pylon contains two identical portal-like elliptical steel legs that stand side by side along the bridge length,and between the two legs,multiple steel tubular struts are added as bracings to create an integral structure.The main girder is a latticed stringers and floor beams system that is connected with the reinforced concrete deck slabs via shear studs,forming a steel-concrete composite structure.The stay cables,formed of PES 7-55 high-strength galvanized steel wires,are arranged in spatial harp formation.To suit the structural characteristics of the bridge and the construction condition at the bridge site,the main girder is erected by scaffolding method,and the erections of the pylon and girder are performed in parallel.The bridge is designed conforming to the British norms.The results of spatial finite element analysis show that the stiffness,strength,stability and fatigue performance of the bridge structure can all meet the code requirements.
Keyword： mono-pylon extradosed bridge; steel pylon; steel-concrete composite girder; stay cable; finite element method; scaffolding method; bridge design;
1、 工程概况
阿玛拉（Emarah）桥位于伊拉克东南部的米桑省首府阿玛拉市，跨越底格里斯河的一条支流。该桥为独塔部分斜拉桥，设双向4车道和人行道，战时可供军用特殊车辆通行，设计使用寿命120年。除设计活载按伊拉克当地荷载标准取值外，桥梁整体按英国标准进行设计。桥梁跨度布置为（71.5+71.5)m（见图1），主梁采用双边箱纵、横格子梁体系的钢-混凝土结合梁，桥塔由纵向并列的2个椭圆形门式钢塔圈组成，全桥共设置44根空间竖琴形双索面布置斜拉索。
图1 桥梁立面布置
桥面全宽20m，双向车行道（含0.5m中央分隔带）总宽14.5m，两侧各布置1.75m宽的人行道，锚索区位于桥梁的最外侧，宽度均为1m。主梁标准横断面布置如图2所示。
图2 主梁标准横断面布置
2、 上部结构设计
2.1、 结构体系
纵向并列的2个塔圈上均设有竖向支座，使斜拉桥主梁形成（66.5+10+66.5)m的3跨连续体系[1,2]。由于桥塔承载能力受其截面尺寸限制，所能承担由斜拉索传来的竖向荷载有限。因此，需适当增大该桥主梁刚度，提高主梁的承载能力并降低斜拉索索力，从而减小桥塔承担的竖向荷载。计算表明：上部结构总恒载约为42 700kN，其中，由斜拉索承担的恒载约为21 600 kN，占总恒载的50.6%；由塔梁间支座承担的恒载约为12 000kN，占总恒载的28.1%，其余恒载由边墩支座承担，桥梁形成部分斜拉体系[3,4]。
2.2、 桥塔
桥塔由完全相同的2个椭圆形门式钢塔圈纵向并列组成，两塔圈均向桥跨中心相向倾斜5°，与水平面形成85°的夹角，纵向通过18根750mm钢管相连，塔座至塔顶的高度为48.89m，桥塔结构如图3所示。塔圈采用变高度单箱双室截面，顺桥向截面宽750mm，横桥向截面宽1 811～5 933mm，壁板厚16～40mm，采用板式加劲肋加劲。桥塔为全焊结构，塔圈节段在工厂制造，运至工地后现场焊接成型。因伊拉克当地运输及起重能力的限制，除底节段外，其它节段最大重量均不超过30t。
图3 桥塔结构
桥塔通过锚栓锚固于承台顶面的混凝土塔座上，每个塔圈底部均设1道横梁，将2个柱脚横向连接起来形成整体，以提供足够的锚固空间。每道横梁上各布置60套M70预应力锚栓，单个锚栓的有效预紧力为350kN，锚固深度为2.5m。横梁底面设22mm剪力钉以传递塔底水平力。塔底锚固构造如图4所示。
图4 塔底锚固构造
桥塔主体结构钢材符合《热轧结构钢产品（Hot Rolled Products of Structural Steels)》(BS EN10025）标准的要求，其中厚度≤30mm的钢板采用S355J2，厚度>30mm的钢板采用S355N，交货状态为正火。与斜拉索锚板纵向连接钢管直接焊连的桥塔壁板厚度方向受拉，需具备较好的Z向性能，根据焊缝深度、形状、位置以及钢板厚度、周边其它结构对收缩的约束、焊前预热温度等条件，并参照《改善厚度方向形变性能的钢制品-交货技术条件（Steel Products with Improved Deformation Properties Perpendicular to the Surface of the Product-Technical Delivery Conditions)》(BS EN10164）的相关规定，确定其质量等级为Z25。
塔底锚栓采用40CrNiMoA合金结构钢制造，机械性能满足我国《合金结构钢》（GB/T 3077）的相关要求。剪力钉材质为S235J2+C450，符合《焊接-电弧螺柱焊用焊钉和陶瓷套箍（Welding-Studs and Ceramic Ferrules Forarc Stud Welding)》(EN ISO 13918）中SD1类焊钉的机械性能要求，抗拉强度Rm≥450MPa、上屈服强度ReH≥350 MPa、断后伸长率A5≥15%。
2.3 、主梁
考虑到桥塔承载能力较弱，不宜采用自重大的混凝土主梁，在满足刚度和承载力需求的前提下，采用了经济性和桥面刚度相对较好的钢-混凝土结合梁。结合梁的钢梁部分由两侧边纵梁和横梁组成格子梁体系，其中边纵梁采用非对称焊接箱形截面，梁高2.525m、宽2.1m，顺桥向每隔3.15～4m设置1道横梁；横梁采用焊接“工”形截面，梁高1.5m，设双向2.5%的横坡（见图2）。桥面板全现浇的槽形断面混凝土桥面板，采用1.5mm厚波形钢板作为底模，波峰处板厚410mm、波谷处板厚250mm，通过剪力钉与钢梁形成结合梁体系[5,6]。桥面板为普通钢筋混凝土构件，不设预应力。桥面板结构如图5所示。
图5 桥面板结构
钢梁主体结构材质及剪力钉材质均与桥塔相同，与斜拉索锚板直接焊接的纵梁顶板Z向性能等级为Z25；钢纵梁与横梁采用10.9级高强度螺栓摩擦型连接，螺栓技术标准符合《预负载用高强度结构螺栓连接组件（High-Strength Structural Bolting Assemblies for Preloading)》(BS EN 14399）的要求。
2.4、 斜拉索
全桥共设有22对斜拉索，采用双索面空间竖琴形布置，索距为4m，每根斜拉索在铅垂面上的投影与水平面的夹角均为30°。斜拉索在塔、梁两端均以销接的形式分别锚固于塔壁外侧及纵梁顶面的锚拉板耳板（锚固形式类似于悬索桥的吊杆），两端均不具备张拉条件。针对斜拉桥采用一次落架、不张拉斜拉索的施工方法，会造成主梁弯矩不平顺、桥塔及附近负弯矩区混凝土桥面板拉应力过大等问题，研究并提出了通过在斜拉索张拉端的调节套和连接套间增设张拉板和张拉杆，并使用置于索体上的千斤顶对其施力，以调节连接杆长度的方法实现斜拉索张拉，改善主梁的受力状况。斜拉索采用PES 7-55镀锌钢丝拉索，钢丝抗拉强度标准值fpk=1 670MPa，破断荷载为3 535kN。斜拉索构造如图6所示。
图6 斜拉索构造
3、 设计荷载
3.1 、永久荷载
永久荷载包括恒载、附加恒载、混凝土的收缩与徐变效应以及基础不均匀沉降。恒载为结构自身的重量；附加恒载为非结构部件但对结构形成荷载的全部材料（如桥面铺装、人行道栏杆、遮阳板等）的重量。恒载及附加恒载均按结构或材料的实际重量取值。混凝土的收缩及徐变效应、基础沉降则按BS5400-5中的相关条文计算取值。
3.2、 短期荷载
短期荷载是除永久荷载以外的所有荷载，包括汽车荷载、人群荷载、风荷载以及温度作用。其中，汽车荷载、人群荷载、军事荷载均按当地荷载标准《标准公路和人行道荷载（Standard Highway and Footway Loading）》和《军事荷载（Military Loading）》计算取值，风荷载和温度作用则根据当地气候、环境条件按BS 5400的相关规定计算取值。对于温度作用，桥位处最高有效温度为54℃、最低有效温度为-3℃，设计基准温度即结构受到有效约束时的桥梁有效温度为24℃，因此桥梁有效温度的幅度即整体升温、降温分别为30℃和27℃，计算温度效应时将结构的截面温差与桥梁有效温度进行组合，并考虑了斜拉索与桥塔、主梁间的温差。
3.3 、汽车车道及军事荷载纵向加载模式
汽车车道荷载与BS 5400的公路桥HA荷载相似，也是由均布荷载（UDL）和集中荷载（KEL）组成。均布荷载的取值与影响线的加载长度有关，影响线加载长度越小则荷载值越大，集中荷载为恒定值，2项荷载值均包含冲击系数。汽车车道荷载取值如表1所示。
表1 汽车车道荷载取值
对于多车道荷载的横向组合，在4条分车道中的2条上布置全值的车道荷载，其余2条上布置全值车道荷载的1/3，则车道荷载的横向组合系数为：1+1+1/3+1/3=2.67。
军事荷载纵向采用“Tracked vehicles class100”加载模式，车辆之间最小纵向间距为30.5m，包括单轴和多轴2种形式（见图7）。
图7 军事荷载纵向加载模式
3.4、 汽车车道及军事荷载横向加载模式
当地荷载标准中没有对汽车的轮距和轴距作出明确规定，因此参照BS 5400-2中HA和HB车辆荷载布置，采用45个单位的HB荷载与HA组合加载。HB荷载可作用在中间分车道，也可作用在外侧分车道，2种加载模式如图8所示。军事荷载横向加载模式如图9所示。
4 、结构计算分析
4.1、 整体计算
采用MIDAS Civil空间有限元程序进行整体静力计算，全桥有限元模型如图10所示。桥塔和塔间纵向连接钢管、钢纵梁、横梁均采用梁单元模拟，混凝土桥面板采用板单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟[7]。
图8 汽车车道荷载横向加载模式
图9 军事荷载横向加载模式
计算结果表明：公路荷载（包括汽车与人群荷载，挠度效应大于军事荷载）引起的主梁跨中最大上挠度为15mm，最大下挠度为52.9mm，下挠度挠跨比为1/1 257，满足BS 5400-3中对于斜拉桥刚度“梁的下挠度不应超过其跨度的1/800”的要求。在永久荷载和短期荷载的承载能力极限状态组合作用下，钢纵梁最大拉应力为207.4MPa，发生在跨中截面下缘，最大压应力为224.1MPa，发生在桥塔处截面下缘；桥塔最大拉应力为122.4MPa，最大压应力为203.6MPa，均发生在塔底截面角点处；斜拉索最大索力为1 483kN，最大拉应力为700.5 MPa，公路荷载作用下最大应力幅为86 MPa。该桥各构件强度以及斜拉索安全系数均满足BS 5400的规定。
图1 0 全桥有限元模型
4.2、 疲劳计算
疲劳计算按BS 5400-10的规定采用标准疲劳车加载，公路桥的标准疲劳车为总重320kN的单车，包含4个标准轴，纵向轴距为1.8m+6m+1.8m，每一轴重均为80kN。在确定最大应力幅时，只考虑标准疲劳车的铅垂作用，对焊接构件无需考虑恒载应力。实际计算时，将标准疲劳车依次加在每一车道及其相邻车道上，并假定结构上每个分车道在任一时刻只有1辆疲劳车行驶，分别计算出对应工况下各主要构件的疲劳应力幅（见表2）。由表2可知：各主要构件的疲劳应力幅值均不大于与结构对应的细节构造分级的应力幅限值，可满足BS5400规定的设计疲劳寿命不小于120年的要求。
4.3、 桥塔稳定计算
根据桥塔的结构形式和约束条件，可将桥塔模拟成底部固结、顶部顺桥向由斜拉索提供弹性约束、横桥向自由的框架结构。按有侧移框架的一阶弹性分析方法，分别计算出塔柱顺桥向和横桥向的计算长度系数及有效长度，结合BS 5400-3的相关规定来检算桥塔的整体稳定[8]。计算结果表明：按压弯构件计算的塔柱稳定承载压应力限值为95.4MPa，而塔柱中部1/3长度范围内的截面最大压应力为76.9MPa，除塔底锚固区外的塔柱截面最大应力为89.6 MPa，均不大于压应力限值，桥塔整体稳定满足要求。
塔柱的局部稳定通过设置刚性加劲肋控制壁板的宽厚比来保证。桥塔自斜拉索锚固区到塔底范围的顺桥向塔壁最大宽厚比不超过18.75，横桥向不超过45，各板件局部稳定折减系数均不小于相应的塔柱整体稳定折减系数，可确保局部失稳不先于整体失稳发生。
4.4、 斜拉索索力控制
与一般斜拉桥根据主梁、桥塔的最优受力状态来确定斜拉索索力不同，在确定该桥斜拉索索力时，需考虑桥塔承载能力较弱的因素，根据桥梁结构按变形协调共同受力的原则，通过提高主梁的刚度来降低斜拉索承担荷载的比例，将索力控制在安全范围内。计算表明：运营阶段由斜拉索承担的公路荷载比例约为51%，与承担永久荷载的比例基本一致，在永久荷载和短期荷载组合作用下，桥塔的强度和稳定性均满足规范要求。
5、 施工方案
桥位处河道宽度小、水位浅、流速缓且无通航要求，适宜采用支架法施工。桥塔施工前在河道内人工筑岛，桩基础和承台施工完成后安装桥塔底节段并搭设支架，然后吊装其它节段并完成拼接。主梁临时墩搭设完成后，逐段安装纵梁梁段并同步安装横梁，待钢梁全部架设完成后，对称浇筑混凝土桥面板并张拉斜拉索。为减小桥塔负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，桥跨对称中心线两侧共45m范围内的混凝土桥面板在纵梁支架拆除及桥塔支座处起顶100mm后再浇筑，待该部位混凝土达到设计强度后再回落钢梁至设计标高，以预先储备一定压应力的方式来降低该部位桥面板的拉应力。桥塔和主梁的架设施工同步进行，待全部完成后调整斜拉索至设计索力，最后完成附加恒载的施工并成桥[9,10]。
6、 结语
伊拉克阿玛拉桥是一座按英国标准设计和建造的桥梁，采用独塔斜拉桥的结构形式，造型轻盈美观。由于桥塔截面尺寸较小，承载能力有限，通过适当提高主梁刚度，调整及优化了桥塔和主梁承担竖向荷载的比例，从而改善桥梁的受力状况；通过设置塔底横梁将塔柱柱脚横向连接形成整体，增大了塔底锚固空间，同时也可降低塔底应力；通过在斜拉索上增设张拉装置，解决了因斜拉索两端销接而无法采用常规方法张拉的问题。根据桥址区河道、水文、通航条件选取支架法施工方案，进一步保证了施工质量和安全。目前该桥已顺利建成通车，运营状况良好。
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