梁拱組合式跨線橋結構設計與施工關鍵技術

潘 龍 ，涂 雪 ，溫 政 ，許 筠

（1.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市200092；2.鄂爾多斯市中交交通規劃設計有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017000）

1 工程概況

蘇楊公路一號橋位于鄂爾多斯市東勝區鐵西三期與大興園區結合部，為上跨包茂高速公路的跨線橋。橋位距鄂爾多斯機場僅10 km，是機場通往市區的必經之路。橋梁跨徑組合為35 m+90 m+35 m，全長160 m。橋型采用“彩虹型”三跨連續鋼混疊合式梁拱組合橋（見圖1），主梁采用鋼梁格-混凝土橋面板疊合梁結構型式，拱肋立面線形為魚背曲線，由鋼箱結構的上、下肢拱及“工字形”連接豎桿組成，上肢拱采用六邊形截面，下肢拱采用矩形截面。整幅橋全寬50 m，兩拱肋中心間距33 m，不設風撐。

圖1 蘇楊公路一號橋橋型效果圖

該橋于2009年10月開工建設，2010年10月竣工通車。

2 設計技術標準

（1）設計車速：60 km/h。

（2）荷載等級：提高至公路—Ⅰ級的1.3倍取用，人群和非機動車荷載按規范取用。

（3）設計安全等級：一級。

（4）橋面寬度：橋梁橫斷面為雙向8車道，兩側各設4 m的非機動車道和3 m的人行道，全寬50 m。

（5）溫度影響力：體系升溫30℃，體系降溫40℃。

（6）橋梁設計抗震烈度：地震基本烈度7度，地震動峰值加速度0.1 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，跨線橋抗震設防類別為B類，均須進行E1地震作用和E2地震作用下的抗震設計。

（7）下穿道路凈高要求：包茂高速公路凈高不小于5.5 m。

3 設計要點

3.1 橋型布置

蘇楊公路一號橋與其上跨的包茂高速公路斜交11°，橋梁位于直線段。

橫斷面布置：3.0 m（人行道）+4.0 m（非機動車道）+3.0 m（機非分隔帶、吊桿錨固區）+14.75 m（機動車道）+0.5 m(防撞護欄）+14.75 m（機動車道）+3.0 m（機非分隔帶、吊桿錨固區）+4.0 m（非機動車道）+3.0 m（人行道）=50 m。

縱斷面設計：主跨中心樁號為K2+999.500，橋面設置R=3 500 m的豎曲線，從主跨中心向兩側分別設置3%和-3%的縱坡與地面道路銜接。

上部結構橋型布置為“彩虹型”下承式梁拱組合橋（見圖2），主梁為三跨連續體系，全橋按整幅設置。系梁中設水平拉索，和鋼系梁一同平衡水平推力。兩片拱肋間不設風撐，拱肋由結合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成。拱肋計算矢跨比為1/4.5，最高點距系梁頂面19.7 m，拱肋凈矢高17.45 m，上肢拱截面為六邊形，下肢拱截面為矩形，豎桿截面為工字型。

圖2 橋型立面布置圖(單位：mm)

3.2 主梁

主梁采用鋼-混凝土疊合梁，是由鋼梁格與混凝土橋面板形成的整體組合截面（見圖3）。鋼梁格由系梁、橫梁、中橫梁、端橫梁、挑梁、小縱梁組成。橋面板采用C50混凝土。

圖3 橋梁橫斷面布置圖（單位：mm）

系梁采用箱形截面，中跨標準段和邊跨標準段截面尺寸為2.0 m（寬）×2.7 m（高），其中頂板、底板、腹板均厚30 mm；中墩處拱梁結合處設長9.0 m的過渡段，梁高由2.7 m漸變為3.0 m，頂板、底板、腹板加厚至40 mm。邊墩處拱梁結合段長17.92 m，拱肋和系梁結合成整體，結合段梁高為漸變高度，斷面形式為矩形系梁與六邊形上肢拱肋組合成的不規則截面。根據主梁構造不同，并結合斜交上跨包茂高速支架施工的需要，全橋系梁共分為邊墩處拱梁結合段、中墩處拱梁結合段、A型節段、B型節段、C型節段，共5種類型26個節段，節段長度為9～18 m，節段吊裝重量約為30～106.5 t。

系梁中跨對應吊點位置和邊跨對應豎桿位置，設置橫梁，橫梁標準間距4 m，局部間距根據構造調整。橫梁采用“工”字形截面，頂面設置1.5%橫坡，底面與系梁底面齊平，中心處梁高2.52 m。橫梁頂、底板厚20 mm，寬600 mm，腹板厚16 mm。在兩根系梁外側，設置“工”字形挑梁布置非機動車道和人行道，挑梁與橫梁以及系梁橫隔板位置相對應。挑梁根部高度為2.257 5 m，懸臂端高度為0.325 m。橫梁與系梁腹板焊接，系梁腹板受力較大且板厚較厚，因此設計采用Z向板，Z向性能級別為Z25。

中墩處下肢拱與系梁結合部設置中橫梁。中橫梁采用箱形截面，頂面設置1.5%橫坡，高度2.587 5～2.82 m，寬度2.72 m，其中頂板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m，設置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm。

邊墩處上肢拱與系梁結合部設置端橫梁。端橫梁采用箱形截面，頂面設置1.5%橫坡，高度2.287 5～2.52 m，寬度1.905 m，其中頂板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m，端橫梁設置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm。

橫梁、中橫梁、端橫梁之間，沿縱橋向設置7道小縱梁。小縱梁采用“工”字形截面，梁高0.55 m，頂板厚16 mm，寬600 mm，底板厚16 mm，寬400 mm，腹板厚12 mm。在兩根系梁外側，單側各挑梁之間沿縱橋向設置兩道小縱梁。

與鋼結構結合成一體的鋼筋混凝土橋面板除系梁外沿全橋寬布置。橋面板分預制板和現澆縫部分，預制板厚0.26 m。現澆接縫混凝土通過鋼梁頂面的抗剪栓釘、預制板的外伸鋼筋及接縫縱橫向鋼筋聯結成整體。為控制預制橋面板收縮，預制板應提前制作，存放3個月以上，方便吊運安裝。

疊合梁施工方法為鋼梁工廠制造現場拼裝，混凝土梁現場預制吊裝后現澆濕接頭。鋼梁制造具體要求見鋼結構制造加工技術要求。

光窗口底板設置在各挑梁之間，底板厚10 mm，底板開設橢圓形孔洞，板上設置縱橫加勁肋，光窗口底板與挑梁底板焊接連接，并在小縱梁位置通過豎向加勁板與小縱梁腹板焊接。光窗口底板在上部結構所有構件安裝完畢、第一批吊桿張拉完畢后方可安裝。

3.3 拱肋

該橋兩片拱肋間不設風撐，拱肋由結合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成（見圖4），為全鋼結構，材質為Q345qE。

上肢拱拱軸線為樣條曲線、直線段、圓弧組成的光滑曲線，拱軸線最高點距系梁頂面18.75 m。下肢拱拱軸線為拋物線，計算跨徑90 m，拱軸線最高點距系梁頂面17.85 m。

位于跨中的上、下肢拱結合段截面高度由2.25 m漸變至4.096 m，斷面形式為矩形下肢拱與六邊形上拱肋組合成的不規則截面，頂、底板厚25 mm，腹板厚20 mm。結合段C局部加厚為頂、底、腹板均為36 mm。上肢拱拱肋截面為六邊形，截面高1.9 m，頂寬0.89 m，底寬1.86 m；上肢拱拱肋標準段頂、底板厚25 mm，腹板厚20 mm；在中墩位置，上肢拱加厚至頂、底板30 mm，腹板25 mm。下肢拱拱肋截面為矩形，高0.8 m，寬1.86 m，標準段頂、底、腹板厚均為36 mm。在下肢拱拱腳位置，加厚至頂、底、腹板厚均為40 mm，并且截面高度加大與系梁組成中墩節點。

圖4 橋梁拱肋橫斷面圖（單位：mm）

由于上肢拱肋剛度較大，吊桿上端穿過下肢拱和豎桿中圓管在上肢拱上錨固，拱肋橫隔板和橫向加勁肋均豎直布置，以適應吊桿的錨固和豎桿布置。拱上單根吊桿由間距0.5 m的兩塊橫隔板、錨固節點墊板、鋼套管及其加勁板組成的錨固節點錨固。結合段橫向加勁板標準間距1.75 m，上肢拱橫向加勁板標準間距1.333 m，與豎桿位置對應。橫隔板厚20 mm，其上開設人孔，橫向加勁板厚16 mm。

上下肢拱連接豎桿為“工”字型斷面，橫橋向寬1.2 m，順橋向寬0.3 m，腹板厚20 mm，頂、底板和加勁板均厚20 mm，有吊桿通過位置的豎桿中間設吊桿套管。

3.4 吊桿與水平索

全橋吊桿共21對，吊桿間距4.0 m，拱上為錨固端，梁上為張拉端。吊桿采用帶PE護套的PES5-121型平行鋼絲，標準強度為1 670 MPa。每根吊桿錨具采用LZM5-121冷鑄墩頭錨及配套產品一套。

全橋系梁水平索共8根，每根系梁內張拉4根。水平索采用熱擠乙烯高強鋼絲拉索，每根為PESM7-139型平行鋼絲，標準強度1 670 MPa。采用兩端張拉錨固的形式，冷鑄錨錨固體系。

吊桿與水平索防腐方案采用：拉索錨具（包括連接筒）在安裝就位前后均需在外表面涂上專用防腐潤滑脂。在橋梁使用過程中應定期對錨具進行復查、補涂，防止錨具銹蝕。

3.5 下部結構

主橋主墩采用柱式墩，立柱由變高度系梁連接。立柱順橋向與橫橋向的外形尺寸分別為2.2 m和6.0 m，墩身四周設R=0.5 m的圓弧倒角。立柱系梁寬1 m，橫橋向高度由中部的1.2 m通過圓弧漸變到端部的2.17 m。主墩承臺為啞鈴型承臺，單個承臺順橋向與橫橋向的尺寸分別為6.5 m和10.5 m，承臺系梁寬2.5 m，承臺厚2.5 m。立柱和承臺混凝土采用C30。

橋臺為肋板式橋臺，臺身厚1.5 m，臺帽厚0.5 m，單幅橋設置4片0.4 m厚的肋板。橋臺承臺尺寸為50.4 m×4.3 m，厚2 m，中間設置2 cm沉降縫，臺后設擋土墻。

為滿足橋梁上部結構承載力及沉降的要求，經分析計算比較，每個主墩承臺下設置15根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長34 m，持力層為第5層微風化粉砂巖；每幅橋臺承臺下設置5根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長29 m，持力層為第4層中風化砂巖。樁基混凝土均采用C30混凝土。

3.6 鋼結構防腐涂裝

為了保證鋼結構不受侵蝕，延長使用壽命，增加橋梁景觀效果，鋼主梁及鋼拱采用適合北方寒冷地區的重防腐涂裝體系。對環氧富鋅底漆+聚氨酯面、環氧富鋅底漆+氟碳面漆、電弧噴鋁復合涂裝體系三種涂裝方案進行比選，綜合考慮防腐效果、施工工藝要求和施工效率、造價等因素后確定外表面采用環氧富鋅底漆+厚漿型環氧云鐵中間漆+丙烯酸聚氨酯面漆的涂裝方案，總厚度310μm。

4 施工關鍵技術

4.1 施工工序

先進行墩、臺、基礎施工，同時工廠制作鋼拱、鋼梁、吊桿及系桿索，預制混凝土橋面板；在高速公路分隔帶及高速公路以外范圍搭設臨時支墩，臨時墩上各鋼梁梁段就位，焊接接縫；吊裝預制混凝土橋面板，澆筑混凝土橋面板濕接頭；在橋面系架設拱圈支架，上、下肢拱節與豎桿預拼焊接成整體節段，各拱段就位，調整拱段標高，焊接各節段接縫；拆除拱肋支架，安裝吊桿，張拉吊桿力，安裝拱肋內系桿索，并張拉系桿索；拆除主梁支架，橋面附屬設施施工，微調吊桿索力；進行荷載試驗，竣工通車。

4.2 臨時支架搭設方案

由于蘇楊公路一號橋跨越包茂高速公路，施工期間不能影響包茂高速公路交通，因此采用臨時墩少支架的施工方法。在各系梁接口處搭設臨時支墩。在高速公路隔離帶兩側搭設門式支架，門式支架頂面距高速路面不低于5.5 m（見圖5）。每組支架用4-φ400×8圓鋼管加角鋼支撐焊接成，臨時支墩基礎為混凝土基礎。

圖5 臨時支架橫斷面示意圖

4.3 鋼結構安裝方案

鋼梁安裝順序從一端向另一端依次安裝，每節段安裝順序為：兩側系梁→橫梁及其間的縱梁→吊裝（車行道部分）橋面板→安裝兩側托架、小縱梁→吊裝（外側）橋面板。拱肋下方系梁兩側的托架、小縱梁及橋面板待拱肋安裝完成后進行。

拱肋安裝在橋面鋼梁安裝完成后進行，從兩端向中間對稱進行吊裝就位，在支架上拼成節段整體后進行焊接。合攏段吊裝前焊接所有環縫，最后完成合攏段的安裝。200 t和160 t汽車吊用于拱肋吊裝作業。備用50 t汽車吊1臺用于小件吊裝。

5 結語

蘇楊公路一號橋設計綜合考慮了景觀效果、地方文化特色、施工方式、施工工期等因素，橋型采用了適合高速公路施工的三跨連續鋼混疊合式梁拱組合橋，并對結構體系進行了優化創新，使梁與拱在受力方面的優點得以充分發揮,呈現出優良、穩定的經濟指標與美觀的外形,充分做到力與美的協調統一（見圖6）。本文對該橋的橋型布置、主梁、拱肋、吊桿及下部結構等部位的設計進行了詳細論述，并介紹了施工方式及技術特點，為類似工程的建設提供了借鑒價值。

圖6 建成后的蘇楊公路一號橋