預應力混凝土空腹式剛架拱橋結構設計

關 偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

洪洞汾河某大橋為預應力混凝土空腹式剛架拱橋，該橋位于洪洞縣汾河上，橋址處于汾河下游河谷部位，是地殼運動過程中巖層陷落而形成的。河道處主河槽東、西擺動幅度變小，河床寬闊，河槽較穩定。項目區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，冬季氣候干燥寒冷，夏季炎熱多雨。汾河是洪洞縣最大的河流，也是黃河最大的支流之一，橋位處汾河無通航要求。主橋橋型布置圖見圖1。

圖1 主橋橋型布置圖

2 主要技術標準

a）道路等級 城市快速路；b）設計速度 80 km/h；c）設計荷載 城 -A 級；d）人群荷載 3.5 kN/m2；e）橋面寬度 15.0 m；f）設計車道數 四車道；g）地震動峰值加速度 0.10 g；h）設計洪水頻率 1/100。

3 主橋結構設計

3.1 主橋結構模型

本文采用TDV RMV8i有限元程序建立橋梁模型，采用MIDAS軟件對橋梁結構計算進行校核。實際橋梁結構模型見圖2。

圖2 主橋結構模型圖

3.2 總體設計

洪洞汾河某大橋主橋采用67+100+67 m預應力混凝土空腹式剛架拱橋，邊中跨比為0.67，拱矢高f＝16.89 m，矢跨比 f∶l=1∶5.236。主橋起點為K0+100，終點為K0+334，全長234 m。縱斷面：主橋跨中為線路變坡點，縱坡沿變坡點左右對稱，均為3%，豎曲線半徑8 000 m，主橋均在豎曲線范圍內。平面：主橋均處于直線段上。橋面鋪裝采用4 cm改性瀝青混凝土+6 cm普通瀝青混凝土橋面鋪裝，防水層采用SJC-FⅡ型橋面防水層，調平層采用10 cm C50鋼纖維防水混凝土橋面鋪裝。在主橋與引橋相接的3號和6號墩處，均設置D160型毛勒伸縮縫。主橋支座均采用抗震型支座，單向活動支座和多向活動支座。

3.3 上部結構

上部主梁采用變高度寬翼緣單箱單室截面。邊跨、中跨、空腹段的等高梁段的梁高分別為2.5 m、1.8 m、2.0 m。拱梁相連處梁高分別為 4.84 m、4.47 m。主梁上緣均位于半徑R=8 000 m的豎曲線上，邊跨梁底和斜腿下緣通過半徑R=42.5 m的圓曲線相連，中跨梁底和斜腿下緣通過半徑R=50 m的圓曲線相連，三角形空腹段等高梁段梁底兩側分別接半徑R=56.7 m和R=63.3 m的圓曲線。箱梁頂板厚度 25～40 cm，腹板厚40～60 cm，底板厚 30～60 cm。橋面橫坡由箱梁頂板人字形形成，箱梁兩側腹板橫向高度相同，箱梁底板橫向保持水平。斜腿采用單箱單室矩形截面，頂板厚40～60 cm，底板厚40～60 cm，腹板厚50～60 cm。內、外斜腿軸線和水平線的夾角分別為38.37°、34.42°，斜腿根部設1.4 m的實心段。

主橋箱梁采用三向預應力結構，斜腿只沿縱向布置預應力。主梁沿縱向只設頂板束和底板束，無腹板束，在頂板設臨時束一對。底板無平彎束，除邊跨側部分錨固于梁端外，其余均設鋸齒塊錨固。箱梁頂板橫向預應力沿橋長1.0 m間距布置。橫向束沿箱梁頂板橫向成曲線布置，一端張拉，一端固定，張拉端和固定端交錯分別設置。箱梁腹板內設豎向預應力精軋螺紋鋼筋，豎向預應力沿橋長按0.5 m間距布置。內外斜腿均只在斜腿下緣布置預應力束。

3.4 基礎及下部結構

主墩基礎采用8根φ2.0 m鉆孔灌注摩擦樁，樁尖持力層位于卵石土中，主橋共有16根φ2.0 m摩擦樁。分聯墩基礎采用6根φ1.5 m鉆孔灌注摩擦樁，樁尖持力層位于卵石土中，分聯墩共有12根φ1.5 m摩擦樁。主墩承臺尺寸為11.2 m×14.8 m×2 m，分聯墩承臺尺寸為7.0 m×10.5 m×3 m。主墩拱座呈梯形共2個，設有預應力與斜腿相聯。

3.5 主橋計算參數

a）永久作用 結構計算時永久作用除考慮了結構重力（包括二期恒載），預應力，混凝土收縮徐變外，還考慮了基礎變位作用，按0.01 m考慮。

b）可變作用 包括汽車荷載、人群荷載、結構整體升降溫作用、溫度梯度作用，其中汽車荷載按單車道、雙車道、三車道、四車道對結構進行加載，程序對車道活載進行最不利包絡，同時考慮偏載影響，按規范進行相應汽車荷載縱向折減和橫向折減。溫度梯度按規范10 cm瀝青混凝土鋪裝層正溫差溫度基數計算，反溫差按正溫差的-0.5倍計[1]。

3.6 主橋計算結果分析

通過對預應力混凝土空腹式剛架拱橋實際模型計算分析，上部變截面連續箱梁受力與不等跨連續箱梁受力類似[2]，上部變截面連續箱梁成橋狀態下自重彎矩、剪力見圖3、圖4，可從圖3、圖4看出此點。實際拱腿起支撐作用，拱腿以受壓為主。

圖3 上部變截面連續箱梁Mz圖

圖4 上部變截面連續箱梁Qy圖

成橋狀態在中跨跨中及邊跨施加100 kN水平力，上部主梁軸向力見圖5、圖6，從圖中可以看出預應力混凝土空腹式剛架拱橋水平剛度很大，當在中跨跨中施加水平力時，邊跨幾乎不受影響，當在邊跨施加水平力時，另外一邊跨幾乎不受影響，這一特性與連續梁橋及連續剛構橋有明顯不同。

圖5 H=100 kN上部主梁Nx圖（中跨）

圖6 H=100 kN上部主梁Nx圖（邊跨）

單個空腹式剛架在合攏后最不利的受力狀態是在剛架橋面端部施加一豎向力，施加V=100 kN的豎向力，空腹式剛架軸向力見圖7，從圖7可以看出上部主梁受拉，內、外側斜腿均受壓。單個空腹式剛架合攏后自身已具有很大的面內穩定性，對后期的兩側懸臂施工奠定了基礎。

圖7 V=100 kN單個空腹式剛架Nx圖

4 主橋結構施工

預應力混凝土空腹式剛架拱橋施工過程主要有以下5種不同的結構體系變化，結構體系變化見圖8。

圖8 結構體系變化圖

圖9 主橋施工簡圖

由于結構在施工中存在多次體系轉換，臨時支墩是整個施工步驟中一道關鍵的輔助工程，具有重要的作用。主橋施工簡圖及主要施工步驟流程見圖9、圖10。

圖10 主橋主要施工步驟流程圖

5 結語

a）預應力混凝土空腹式剛架拱橋是一種新型的橋梁結構，該橋型結構屬于梁拱組合體系，與等跨徑的連續剛構橋梁相比，其上部箱梁的結構尺寸可以減少許多，上部結構自重也隨之減輕。與等橋長的變截面連續梁相比，可以減少橋墩數量，降低工程造價，減小阻水面積，提高橋梁泄水能力。該橋型易與環境相融合，同時也不乏現代氣息。

b）本文重點闡述了預應力混凝土空腹式剛架拱橋上部主梁、斜腿、成橋狀態下水平力對結構的影響及單個空腹式剛架拱不利受力狀態的結構受力特性，由于該種結構為超靜定結構，基礎變位作用、混凝土收縮徐變、溫度變化等因素，均會使結構產生次內力，這些因素在設計中應當予以重視。

c）預應力混凝土空腹式剛架拱橋在施工過程中存在多次結構體系的變化，尤其是臨時支墩的輔助施工，使單個空腹式剛架拱合攏變得易于施工，同時也為單個空腹式剛架拱合攏后兩側懸臂施工提供第二道安全保障。施工過程中還應注意單個空腹式剛架拱現澆支架的拆卸，不同的施工步驟支架拆卸部分不同。