多跨連續中承式拱橋的系桿設計

曹海順

(上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司， 上海 200437)

對于中承式多跨拱橋，從減小基礎承受相鄰跨不平衡水平推力考慮，通常選用中間等跨方案；這樣中墩僅需考慮施工荷載和單邊最不利活載產生的水平力，用基礎來抵抗也比較容易滿足。然而，邊跨跨徑一般較小且多采用上承式(也有部分橋采用中承式邊跨)，即使采用小的矢跨比和較大的恒載集度，邊墩兩側的相鄰跨恒載產生的水平推力往往仍不能互相平衡。當橋位處有比較好的天然地基且橋墩不高[4]時，可由邊墩的基礎承受。而當地基條件不好時，一般需要設置系桿來抵抗邊墩承受的水平力。

多數時候，由于受地形、通航等條件的限制，或考慮與橋面縱坡協調一致、兼顧橋梁景觀等，中間需采用不等跨方案。此時，中墩由于相鄰跨的恒載水平推力不相等，且這種不平衡推力往往難于通過調節相鄰跨的矢跨比、恒載集度來消除，這時需要通過設置系桿索來解決中墩的水平力問題。濟寧泗河大橋出于景觀考慮，采用了5跨不等跨連續中承式系桿拱橋方案，本文介紹該橋的系桿布置及設計。

1 工程概況

濟寧泗河大橋[1]是環湖大道東線工程跨越泗河的一座大型橋梁，主橋為5跨(30+95+130+95+30)m連續中承式系桿拱橋，橋寬34.5 m，兩榀拱肋各設在機非分隔帶內，拱肋總體內傾10°形成提籃拱，其總體布置及橫斷面見圖1、圖2。橋梁設計荷載：汽車，公路-Ⅰ級；人群，2.6 kN/m2。

單位：m

單位：m

拱肋分為上、下2肢。主跨下肢理論跨徑130 m，矢跨比1/3.467；次跨下肢理論跨徑95 m，矢跨比1/3.654；拱軸線在拱肋斜平面內為二次拋物線。邊跨下肢軸線由直線及1.5次拋物線組成。邊(中)三角區的上肢均采用圓曲線與下肢曲線平順。上、下肢拱肋均采用等高度鋼箱截面，寬度均為2.0 m。橋面以上拱肋間設置扁平箱型板式橫撐。

主橋加勁梁采用正交異性橋面板鋼箱梁，在與拱肋斜平面對應位置沿全長設置箱型縱梁。邊(中)三角區加勁梁在車行道范圍采用閉口鋼箱梁，人行道和非機動車道范圍采用工字橫梁體系。吊索區加勁梁采用開口鋼箱梁，即雙主梁(箱型縱梁)+橫梁結構體系。箱梁頂板設2%雙向橫坡，底板橫向為平坡，設計道路中心線處梁高2.0 m。加勁梁通過吊桿或立柱支撐于拱肋，吊索區的兩端設置伸縮縫。

主橋三角區的加勁梁與拱肋下肢固結形成剛架，并與上肢、立柱共同形成桁架結構。吊桿采用環氧噴涂鋼絲拉索體系，兩端均采用冷鑄錨錨固。主墩和邊墩均為群樁基礎，承臺呈啞鈴型；過渡墩為樁柱接蓋梁的排架墩，樁基均采用Φ1.8 m鉆孔灌注樁。

2 系桿布置方案

2.1 必須布置與主拱肋對應的節段索的驗證

運用MIDAS軟件建立全橋空間桿系模型，基礎以彈性支承模擬，系桿以體外索模擬。分析在不同的系桿布置方案和張拉力情況下，成橋階段各墩基礎承受的水平力。

經分析發現，當僅在兩邊跨的端橫梁之間布置通長索時，張拉系桿可以使邊墩兩側水平力接近，但主墩基礎存在較大的水平反力。如圖3(a)所示，在對系桿施加適當的拉力后邊墩僅有9.0 kN的水平反力，而主墩存在1 465.7 kN的水平反力。

增加系桿的張拉力，增量與主墩基礎承受的不平衡水平力相同(1 465.7 kN)，此時，邊墩基礎已承受與系桿拉力反向的水平力(-1 371.9 kN)，而主墩基礎原先存在的水平反力卻變化很小，僅減小了約63.8 kN，如圖3(b)所示。可見，僅布置通長索對平衡主墩兩側的水平力作用較小。

(a) 張拉系桿使邊墩兩側水平力平衡工況

(b) 增加系桿的張拉力工況

在上述兩端橫梁之間布置通長索的同時，增加布置與主拱肋對應的節段索，恒載作用下的基礎水平反力如圖4所示。在對通長索和節段索分別施加適當的張拉力后，邊墩僅有11.6 kN的水平反力，主墩也僅有16.6 kN的水平反力，基礎所受不平衡水平力均很小。

單位：kN

可見，通過組合布置與主拱肋對應的節段索及通長索，可實現在邊墩兩側的水平力基本平衡的同時，主墩的水平力也基本平衡。

2.2 系桿布置方案

對于5跨連續中承式拱橋，在考慮布置與主拱肋對應的節段索的基礎上，其系桿的布置仍可有如下2種方案：1) 方案1，主拱、次拱各自采用節段索，可同時滿足施工階段和使用階段的要求，如圖5所示；2) 方案2，主拱、次拱在施工階段各自采用節段索，在成橋階段采用通長索，并在主拱范圍內采用節段索，如圖6所示。

圖5 系桿布置方案1

圖6 系桿布置方案2

其中的節段索長度，又分為系桿僅布置在拱梁相交點而不穿過三角區縱梁、系桿布置長度超過拱梁相交點并延伸到三角區的另一側。主拱、次拱各自的節段索布置方案如圖7所示。

方案1

方案2

方案3

方案1

方案2

單位：m

圖7主拱、次拱的節段索布置方案

Fig.7 Staged tie arrangement scheme of main arch and secondary arch

主拱和次拱各自均采用節段索，方案的組合可以有多種。各組合方案的主墩、邊墩兩側的不平衡水平力基本接近，拱肋的內力、拱肋及縱梁等構件在活載作用下的應力幅不受節段索布置長度的影響。由于節段索的水平力作用，索的布置長度會改變縱梁的軸力分布，但基本不影響縱梁的尺寸設計。最終選用何種節段索方案，需從布置系桿錨固構造的便利和可靠、張拉系桿的可實施性等方面側重考慮。

3 系桿設計

3.1 總體設計

泗河大橋采用通長索、主跨節段索組合布置的方案，使主墩及邊墩的基礎均承受較小的水平力。為平衡次跨拱肋的水平推力，在主橋兩端橫梁之間的縱梁內布置通長水平拉索，每榀拱肋設4束，以縱梁中心為基準布置。

為平衡主跨吊索區荷載產生的部分水平推力，在主跨兩端中三角區橫梁之間的加勁梁邊腹板外側布置水平拉索，每榀拱肋設2束，以腹板1/2高度為基準布置。

通長索或節段索均采用新型鋼絞線系桿體系，全防腐結構、可調可換。每束索體由22Φs15.2鋼絞線組成，標準強度1 860 MPa，雙層PE防護。通長索設計索力2 450 kN，節段索設計索力2 305 kN，安全系數均大于2.0。

3.2 系桿支承

系桿設置從使用階段的檢修、更換方便考慮，通常布置在橋面以上，并間隔一定距離布置滾軸支承，以減小索的下垂和摩擦損失，確保拉索的正常受力與伸縮變形。也有將系桿連同其保護箱一起隱藏在橋面板或人行道內的，成為永久保護。

泗河大橋的系桿索存在水平和豎向的組合曲線，呈空間曲線。從橫向空間及有利布置轉向考慮，布置在鋼橋面板以下。通長索布置在箱型縱梁內，箱內每道橫隔板上均開設了4個Φ250 mm索孔。主跨節段索布置在縱梁箱外靠人行道側，在每道橫梁腹板上均開設了2個Φ250 mm索孔。在索孔的下方設置鋼托架及尼龍襯墊，用于索的穿越及支承，并在索的平面轉角處設置了轉向塊[13]。托架及轉向塊構造如圖8所示。

3.3 系桿錨固

通長索的兩端錨固于箱型縱梁內的錨箱，考慮拉索張拉的要求，錨墊板設置于端橫梁腹板對應的縱梁橫隔板上，距離支座中心2.2 m。錨箱內的加勁板根據力線傳遞規律、并結合縱梁構造設計，其構造如圖9所示。

(a) 系桿支承橫橋向布置

(b) A大樣

(c) Ⅰ-Ⅰ視圖

主跨節段索的錨固點位于全橋中段，而全橋縱梁一般連續布置。若拉索布置在縱梁箱內，存在千斤頂進出箱室不便、張拉空間局促等缺點，可優選將拉索布置在箱側面或頂部的方案，其錨點的布置需考慮與拱肋、主梁橫隔板等的關系。當節段索布置在橋面以上時，錨固點可選擇在拱梁交點的拱背處，施工比較方便，但鋼錨箱上方的圓弧區域需要進行防水設計[3]，其布置示意如圖10所示。

(a) 立面

(b) 橫斷面

圖10 拱背處系桿錨箱立面布置示意

鑒于泗河大橋主跨節段索布置于鋼橋面板以下箱型縱梁腹板的外側，借鑒斜拉索與鋼主梁的錨箱式[5]錨固方式，系桿的錨固也采用在腹板側面布置鋼錨箱的方案，其構造如圖11所示。

4 結束語

泗河大橋為多跨不等跨中承式系桿拱橋，存在相鄰跨的恒載水平推力不相等問題，通過組合配置通長索及主跨節段索，使各墩的基礎所受不平衡水平力均較小。

泗河大橋的系桿索均呈空間狀，從有利轉向和支承考慮，布置在鋼橋面板以下。通長索錨固于縱梁兩端橫隔板的錨箱上，節段索錨固于腹板側面的鋼錨箱，滿足了傳力可靠和張拉方便的要求。

通過本文對主橋系桿的設計介紹，以期對類似橋梁設計有所參考。

(a) 立面

(b) Ⅰ-Ⅰ斷面視圖