鋼管混凝土拱橋設計

馮明友

（貴陽市建筑設計院有限公司，貴州貴陽550001）

鋼管混凝土拱橋設計

馮明友

（貴陽市建筑設計院有限公司，貴州貴陽550001）

以貴州清鎮職教城龍鳳大道上的龍鳳大橋設計為例，闡述了結合環境保護及景觀要求的橋梁選型；并詳細介紹了190 m跨徑鋼管混凝土拱橋的構造處理，結構計算及施工要點。

鋼管混凝土拱橋;有限元計算;設計

1 概述

隨著社會經濟的發展，橋梁作為一種跨越障礙物的建筑物，不僅給人們帶來生活上的便利，也給人們帶來美的享受。鋼管混凝土拱橋造型美觀，跨越能力強，充分利用鋼材和混凝土兩種建筑材料的力學性能，實現跨越和美的組合。采用大跨徑橋梁方案有時是地形條件所限，有時是保護環境，避免污染自然水體的要求。清鎮職教城龍鳳大道上的龍鳳大橋亦是后者。龍鳳大橋跨越保護水體老馬河，不宜在河內設置構筑物，避免污染水源，因而采取大跨橋梁跨越河流。大橋位于高校區和景觀區，對橋梁造型要求高，與環境和諧協調，采用鋼管混凝土拱橋是最佳橋梁方案[1,2]。

2 橋梁設計

主橋為凈跨徑190 m的中承式鋼管混凝土等截面桁架拱，標準橋寬為35 m，拱肋與橋面系相交位置及跨中設置觀景平臺，由35 m漸變為最大橋寬42.2 m。橋梁全長209.2 m，計算跨徑193.42 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數m=1.8，矢高h=47.5 m，矢跨比f=1/4。

（1）主拱圈

主拱拱肋為4肢鋼管桁架式斷面，每一拱肋為兩片由腹桿鋼管與上、下弦桿鋼管焊接形成的桁架片橫向連接形成。桁架橫向連接采用綴板與橫隔板結合方式將兩片桁架片連接為一整體，組成一條拱肋。拱肋鋼管桁架為等截面布置，拱肋高3.7 m（中到中），單片拱肋寬度1.5 m（中到中）。拱肋上、下弦桿鋼管采用900×20～25 mm的直縫焊接管，腹桿采用450×12 mm無縫鋼管；橫聯桿采用550×12～16 mm無縫鋼管，桁架中鋼管及橫向連接鋼板均采用Q345C鋼焊接連接。

拱肋的上、下弦鋼管內灌注C50微膨脹混凝土，形成鋼管混凝土組合受力截面。

主橋鋼管混凝土拱肋拱腳段，考慮銹蝕及飄浮物撞擊等因素，拱肋外包一層C50混凝土。

主跨橋面兩個拱肋間共設置6道風撐，風撐布置縱向間距為20 m。跨中采用米字撐，拱座處采用“一”字型風撐，其余均為K形風撐，風撐為鋼管桁架，風撐主管采用500×12 mm直縫焊接管，風撐支管采用355×10 mm無縫鋼管。風撐鋼管均采用Q345C鋼管焊接形成桁架。

兩個主拱拱肋除通過橋面上的風撐連接外，在橋面與拱肋相交處設置拱肋肋間橫梁進行橫向連接。

為了使主拱圈在吊裝過程中便于調整標高和線型，拱腳接頭采用豎向可轉動的鉸連接方式。拱腳截面中心處設置一弧形鉸，上下弦管與拱腳預埋段間留60 cm斷縫，待主拱圈吊裝完畢，調整好拱肋標高及線型后，首先采用與主拱圈同規格、同材質的鋼管進行對接溶透焊后，再采用外包鋼板補強焊的形式連接拱腳接頭。

節段間采用內法蘭加搭接套管形式連接。

拱頂采用內置式瞬間合攏連接構造。

（2）立柱

主拱立柱均為鋼管混凝土立柱，立柱截面為Φ800×16 mm斷面。立柱內灌注C50混凝土。

（3）吊桿體系

全橋拱肋共23對吊桿，吊桿縱向間距按6.8 m設置，橫向軸線距29 m。吊索為15-25高強鋼絞線，采用GJ鋼絞線整束擠壓吊桿體系錨具。吊桿為可更換，更換時可用臨時專用構件支撐橫梁，拆除舊吊桿，安裝新吊桿。

（4）橫梁體系

本橋橫梁體系包括吊桿橫梁、立柱橫梁、肋間橫梁、伸縮縫端橫梁。

吊桿橫梁、立柱橫梁、肋間橫梁均為鋼結構構件，伸縮縫端橫梁采用鋼筋混凝土結構，其余均為為工字型鋼結構。頂板設雙向1.5%橫坡。

（5）縱梁

在吊桿橫梁間設置9道鋼縱梁以形成較好的結構整體性。縱梁采用焊接工字鋼斷面，梁高0.8～2.361 m。縱梁與鋼橫梁采用螺栓連接。

（6）主橋橋面系

16 cm厚預制鋼筋混凝土板通過縱、橫向濕接縫互相連接，并通過剪力釘與鋼縱梁、鋼橫梁連接，濕接縫混凝土采用微膨脹鋼纖維CF50補償收縮混凝土。10 cm鋼纖維混凝土鋪裝層參與橋面共同受力。

橋面人行道縱梁采用預制C50鋼筋混凝土縱梁，通過濕接縫連接，在鋼縱梁、鋼橫梁的地方通過剪力釘連接在其上。

3 橋梁結構計算及分析

3.1 計算模型及荷載

將主拱圈、拱上立柱、鋼帽梁及橋面系縱、橫梁等按實際結構尺寸離散為空間有限元桿件，并建立三維空間模型，準確模擬桿件的空間尺寸、材料特性、連接方式及初始應力等，利用大型通用計算機軟件M IDAS-Ci vi l按施工階段和成橋狀態下的不同荷載組合對結構進行靜力、動力及穩定性分析。

施工階段計算按施工加載順序進行，考慮了施工過程拱肋的彈性壓縮、混凝土的收縮徐變、溫度、施工荷載變化等因素的影響。

動力計算進行了結構的自振特性、抗震分析、抗風分析。

穩定計算進行了穩定系數分析。

主拱圈及橋面系均采用梁單元，施工臨時扣索、錨索以及吊桿采用桁架單元模擬。全橋共個3840單元，2201個節點。計算模型見圖1。

圖1 有限元模型圖

3.2 結構計算結果

對上部結構中吊桿、橫梁及橋面板按單獨構件進行計算。

對照組12種藥材共鑒定正確10種（83.3%），錯誤2種，常規組12種藥材共鑒定正確11種（91.7%），錯誤1種，觀察組中藥材鑒定準確率明顯高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。

全橋結構按空間桿系結構進行整體計算和構件內力計算分析后進行強度和剛度驗算，其結果均滿足規范要求。計算中對鋼管混凝土拱肋受力行為按容許應力進行考察，應力計算按鋼和混凝土分別進行逐階段應力疊加。按應力疊加法計算出的拱肋混凝土應力、鋼管應力均小于材料容許應力規范限制。

整體計算中拱橋穩定性計算進行的空間結構分析。主要進行空鋼管灌注混凝土工況和運營工況的結構空間穩定分析，計算結果表明：施工階段最不利情況的第一類穩定安全系數λ=8.2，失穩模態為拱肋面外側傾斜失穩；運營階段最不利情況下的第一類穩定安全系數λ=6.0，失穩模態為面外失穩。上述穩定安全系數均大于4，符合相關規范要求，其空間穩定性可以得到保障。

4 鋼管混凝土拱橋施工要點

由于該橋施工條件困難、施工工藝復雜、技術難度高，且采用大型纜索吊裝設備及吊機橫移工藝，故要求施工方具有優良的技術裝備、較強的施工能力、先進的管理水平和從事技術復雜特大橋的豐富的施工經驗。

4.1 主橋施工方案簡述

主橋主跨上部結構采用纜索吊系統進行吊裝施工。

拱肋鋼管采用扣索配合的纜索吊裝施工方案。拱肋鋼管在工廠制造桁架節段，運輸至工地后，工地組焊為吊裝節段，再采用纜索吊裝、斜拉扣掛、單肋拱合攏的施工方案。

4.2 鋼管混凝土拱肋施工

（1）鋼管混凝土結構兼有鋼結構和混凝土結構的長處和特點，鋼管拱肋系全焊結構。

（2）先繪制結構施工大樣圖，和設計文件校核。

（3）放大樣圖時逐點考慮對應的施工預拱度。

（4）鋼管的加工

拱肋及風撐鋼管采用Q345C鋼鋼板卷制的直縫焊接管。

拱肋曲線采用弧線鋼管拼接。

長直管采用加熱頂壓法彎曲成弧形。

管內需進行噴砂除銹，不灌混凝土的管件，需在管內壁進行防護。

（5）拱肋節段的加工

本橋主拱拱肋桁架為4根鋼管組合而成的桁式斷面。對單片拱肋進行分段加工、組拼。

（6）拱肋吊裝合攏

每條拱肋分4段吊裝合龍，拉好扣索和浪風，單片拱肋吊裝。兩拱肋合龍及接頭處理完成后須及時吊裝橫撐，澆筑拱腳封鉸混凝土，完成拱肋從兩鉸到無鉸的體系轉換。只有在拱肋橫撐吊裝施工階段全部完成，拱腳封鉸混凝土達到設計強度時才能松吊索、扣索和浪風。拱肋鋼管桁架全部吊裝完成后，按施工加載程序逐段進行加載。

合攏時間須選擇在一天的低溫時段內（以清晨為好），合攏時溫度不得高于15℃，亦不得低于10℃。

（7）拱肋鋼管混凝土灌注：

本橋采用從拱腳到拱頂用泵送混凝土頂升法灌注混凝土。

4.3 吊桿施工

根據設計順序安裝吊桿、吊裝橫梁到設計標高。

4.4 橋面系施工

車行道板須先制造并放置3個月以上的時間，以減少混凝土徐變的不利影響。

4.5 施工控制

設計中對整個加載過程作了詳細規定，施工時須嚴格按擬定程序進行，并保證加載的對稱性和均衡性。吊裝施工過程和拱肋加載過程及系桿張拉中必須進行專門的施工監控。

5 結語

龍鳳大橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，結構合理，造型美觀。充分利用了地形條件，很好的保護了自然水體，做到了工程與環境的友好協調。通過計算分析，不斷的優化構件組合及尺寸，在保證結構及構件安全穩定的前提下，做到經濟合理。

[1] 田興.碳纖維加固技術在舊危橋改造中的應用[J].黑龍江交通科技,2011(10):213.

[2] 楊剛.拱橋施工方法初探[J].民營科技,2008(4):176-177.

U448.22

B

1009-7716（2017）11-0081-03

2017-07-07

馮明友（1977-），男，貴州貴陽人，高級工程師，從事道橋設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.023