大跨度剛架連拱橋設計與施工

劉志才，唐穎

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

大跨度剛架連拱橋設計與施工

劉志才，唐穎

（天津市市政工程設計研究院，天津市300051）

介紹了某7×66m大跨度剛架連拱橋的設計及施工情況。對結構材料進行了比選，計算表明，與混凝土拱相比，鋼結構箱形截面剛架拱橋的拱腳水平推力小一半，且能確保工期；下部結構采用群樁基礎，每2～3跨設置了止推墩，計算分析中考慮了群樁基礎的柔度；上部結構采用全焊鋼箱梁結構，有限支架法施工。

剛架拱；連拱；鋼箱截面；群樁基礎柔度；止推墩

1　工程概述

某跨河橋主體結構為7×66m中承式拱橋，行車道+非機動車道共寬15.0m，單側人行道寬3.75m，主拱圈為鋼筋混凝土箱形拱肋結構，橋面系為橫梁為主的鋼筋混凝土縱橫梁體系。該橋于1992年建成，原設計荷載標準偏低、橋寬較窄，為了緩解日益增長的過河交通壓力，提高道路通行能力，需要對其進行拓寬改造（見圖1）。改造工程包括兩部分：將舊橋面系提升改造為鋼結構梁格+混凝土橋面板的組合結構橋面系，并更換吊索，原橋面僅供汽車通行，雙向4車道；在既有橋梁的兩側則新建供非機動車和行人通行的加寬橋。

圖1　加寬改造前橋梁實景

兩側新建加寬橋均為鋼結構箱形截面剛架連拱橋，橋跨布置與既有橋一致，均為7×66m。跨中梁高1.2m，與改造后的既有橋橋面系高度基本一致，橋面標高也與既有橋協調。新老橋橋面系以下線條重疊明顯，視覺清晰，相互映襯，主次分明，突出原橋主拱，美學效果突出（見圖2）。

2　加寬橋主體結構設計及計算

加寬橋單幅橋寬8.02m，為7×66m大跨剛架連拱橋；主梁、主拱腿及次梁均采用鋼結構薄壁箱形斷面，單箱三室，主梁及次梁的懸臂均為1.7m，為了受力明確，并減少溫度應力［1］，相鄰兩跨橋的次梁在墩柱位置斷開，并設置伸縮縫；拱軸線由二次拋物線+兩段圓弧線構成，跨度為62.1m，矢高僅為6.4m，矢跨比較小，為1/9.7，屬于典型的坦拱；墩柱形式與既有橋一致，均為薄壁矩形片墩，厚度0.8m，圓端形拱座；一般中墩基礎采用3×3鉆孔灌注樁，2#墩和5#墩設計為恒載單向推力墩，基礎加強，布置為5×3鉆孔灌注樁，橋臺臺身為箱形，基礎采用了17根Φ1.2m的鉆孔灌注樁，順橋向共布置了7排，每排2～3根樁基礎。橋面鋪裝采用7cm厚瀝青混凝土鋪裝，兩側布置人行護欄。主要材料：主梁、主拱腿及次梁采用Q345qD鋼板；墩臺樁基礎采用C35水下混凝土；橋墩、橋臺承臺采用C35混凝土；墩身、橋臺箱體、拱座混凝土采用C40混凝土。圖3為加寬橋結構總體布置圖。

圖2　加寬改造后橋梁夜景

全橋結構采用MIDAS CIVIL軟件進行計算，橋梁博士軟件復核。主拱腿與拱座的連接、主拱腿及次梁與主梁的連接均采用彈性連接的剛性；上弦桿與混凝土墩柱的連接采用主從約束的模擬；群樁基礎對上部結構的彈性支撐作用采用6×6的空間出口剛度矩陣模擬。非機動車道及人群荷載按專用人行橋梁考慮，取值為3.5 kN/m2；墩臺不均勻沉降取值為1cm；主拱圈合龍溫度取為15℃，均勻溫度作用考慮為整體升溫25℃，整體降溫30℃；該橋鋪裝為7cm瀝青混凝土，梯度溫度作用取值為主梁及次梁鋼箱梁頂板升溫15.2℃。圖4為結構計算模型（中跨）。

圖3　加寬橋結構總體布置圖（單位：m）

圖4　結構計算模型（中跨）

3　主要特點及關鍵技術問題

3.1上部結構材料選擇

該橋初步設計為7×66m的鋼筋混凝土箱形截面剛架拱橋，主梁、主拱腿及次梁均采用單箱雙室截面，C50混凝土。施工圖階段將上部結構主材料調整為Q345qD鋼材，主要原因如下：（1）根據勘探揭露地層情況，場地土在勘探深度范圍內主要由第四系全新統晚期至中更新統沉積的砂類土與亞黏土等構成，亞黏土的液性指數IL較大，均值為0.65，土體抵抗基礎水平力的能力有限；根據測算，在彈性范圍內，一根直徑1.2m的樁約能抵抗水平荷載600～700 kN；若采用混凝土剛架拱，橋臺水平推力較大，標準組合下達到了1 5047 kN（見表1），約為鋼結構剛架拱的1倍，需要龐大的抗推力基礎，常用的有群樁基礎、沉井基礎等，基礎造價較高。（2）該橋為既有主干路上的跨河橋改造工程，改造需要斷交施工，工期緊張，包括景觀裝飾在內僅一年，采用混凝土剛架拱難以保證工期。

表1　采用不同材料時橋臺水平推力對比

3.2群樁基礎的模擬

群樁基礎作為下部結構中與土相接觸的最主要部位，分析較為復雜，初步估算中常將承臺底作為固結支撐處理。事實上群樁基礎具有一定的柔度，其對整個結構支撐剛度的大小有必要精確分析［2］。本文計算中，采用橋梁博士軟件的基礎設計功能求得群樁基礎出口剛度矩陣，將其輸入MIDAS CIVIL軟件邊界條件的一般彈性支撐矩陣中，即可較好地模擬群樁基礎對上部結構的支撐作用。地基土比例系數m取值，一般墩處取為10 000 kN/m4，橋臺及恒載單向推力墩處地基采用直徑0.6m的旋噴樁加固，取為15 000 kN/m4。樁的計算寬度b1及變形系數a按《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）附錄P計算。從表2可以看出，對于該橋，若不考慮群樁基礎的柔度，橋臺水平推力約增大6%。

表2　群樁基礎柔度對橋臺水平推力對比

3.3鋼結構的制作與安裝

主梁、主拱腿及次梁均采用全焊鋼結構，單跨上部結構沿順橋向劃分為11個節段，詳見圖5，最重節段為S4段，重量約為510 kN。S1、S2、S7及S8節段采用倒裝法組裝（即頂板在下底板在上），以充分利用焊接收縮過程使得兩端預拱度達到預期效果；S3#～S6#節段采用正裝法組裝，按梁段拱度做胎架，在胎架上組焊各部分。

圖5　剛架拱節段劃分

圖6梁段安裝

的基本原則，從每跨的跨中向拱腳逐步落架。圖6為梁段安裝。

4　結語

該加寬橋采用鋼結構剛架連拱橋，其上部結構造價比同跨徑混凝土剛架拱橋要高一倍，但其水平推力較小，僅為混凝土橋的一半，基礎造價明顯比混凝土橋低；總體來看，其綜合造價并不高，且能確保工期，是一個合理的選擇。該橋已通車運營，中間的中承式拱與兩側的上承式剛架拱相得益彰，景觀效果良好。

［1］ 婁廷會.多跨連拱景觀橋結構設計［J］.公路工程，2011，36（4）：106-108.

［2］ 周青，戴捷，倪寶偉，等.大跨徑多孔拱橋設計關鍵技術［J］. 現代交通技術，2012，9（5）：26-29.

U448.22

B

1009-7716（2015）01-0059-02

2014-10-22

劉志才（1982-），男，湖南常德人，高級工程師，從事橋梁設計工作。