130 m跨鋼管混凝土拱橋設(shè)計

張科乾

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近幾十年，我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，鋼管混凝土拱橋由于受力性能好、跨越能力大、建筑結(jié)構(gòu)高度低、造價經(jīng)濟等優(yōu)點，在大跨橋梁中被廣泛采用[1-2]。本文以湖州環(huán)漾大橋為背景，介紹其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)計算，可為類似橋梁的設(shè)計提供參考和借鑒。

環(huán)漾大橋位于湖州康山分區(qū)，是環(huán)漾大橋跨越妙湖線的橋梁，道路等級為城市次干路，設(shè)計車速為50 km/h，采用雙向六機兩非的車道規(guī)模。主橋采用下承式鋼管混凝土拱橋，一跨跨越妙湖線，引橋采用簡支變連續(xù)小箱梁（見圖1、圖2）。

圖1 立面布置圖（單位：cm）

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）汽車荷載：城—A級；

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

（2）主橋平面位于直線段，道路中心線法向與航道中心線夾角約41.8°；

（3）主橋立面位于豎曲線R=1 500 m的凸曲線上，前坡、后坡為±3.0%；

（4）通航要求：Ⅴ級航道，通航凈空：45 m（凈寬）×5 m（凈高），由于航道要求，橋梁需采用先拱后梁的無支架施工；

（5）抗震設(shè)計：地震動峰值加速度：0.05g，地震基本烈度：6度。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體布置

主橋采用下承式鋼管混凝土拱橋，拱橋跨徑130 m（計算跨徑為126 m），吊索間距5 m，采用縱向雙吊索體系。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形箱梁；吊索橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T形橫梁；拱腳橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形橫梁；主墩采用墻式墩。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，嵌巖樁基礎(chǔ)。主橋采用先拱后梁施工；系梁及橫梁采用預(yù)制吊裝施工。

1.2 拱肋設(shè)計

鋼管混凝土拱橋拱肋的形式有單管、啞鈴形管和桁式拱肋幾種形式，考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，不同拱肋截面形式的鋼管混凝土適用范圍也不同（見表 1）。

表1 各種拱肋截面形式的跨徑適用范圍一覽表

環(huán)漾大橋跨徑130 m，單管截面形式的跨越能力已不能滿足要求；相比于桁式拱肋，啞鈴形拱肋桿件較少，涂裝面積小，養(yǎng)護涂裝費用較低，從簡化養(yǎng)護的角度，拱肋采用啞鈴形拱肋。兩榀平行的拱肋間距為24 m，矢高25.25 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線，拱腳外包C55混凝土，拱肋插入混凝土拱腳約3.5 m。

啞鈴型截面總高3 200 mm，上下鋼管中心距為1800mm，鋼管外徑為1400mm，鋼管壁厚22～25mm；兩腹板間距為900 mm，腹板厚度為16 mm，腹板沿豎向設(shè)置兩道縱向加勁板；腹腔內(nèi)吊索側(cè)設(shè)置HM588×300 H型鋼加勁鋼，間斷設(shè)置橫隔板和腹板豎向加勁肋；鋼管及腹板采用Q345qC鋼材，上下鋼管填充混凝土采用C50自密實補償收縮混凝土?？紤]到腹腔內(nèi)灌注混凝土容易造成爆管事故，腹板內(nèi)僅拱腳至第一根吊索范圍內(nèi)填充混凝土，其它位置不填充，這樣既免去了澆注腹腔內(nèi)混凝土的工序，又從根本上避免爆管事故的發(fā)生，這種新型的啞鈴形拱肋在最近新建橋梁中得到了廣泛的運用（見圖3）。

圖3 拱肋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

全橋拱肋橫向共布置五道風(fēng)撐，其中拱肋中心采用一字撐，兩側(cè)采用K撐，縱向風(fēng)撐間距為10 m，風(fēng)撐均采用空心鋼管。一字撐主管外徑為900 mm，壁厚16 mm，支管外徑600 mm，壁厚12 mm；K撐主管外徑為1 400 mm，壁厚22 mm，支管外徑為900 mm，壁厚16 mm。

1.3 系梁、橫梁設(shè)計

系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形箱梁，梁寬2 m，高2.1 m，拱腳處加高至2.7 m，頂板厚0.65 m，底板厚0.35 m，腹板厚0.35 m，在吊索位置2 m范圍內(nèi)及拱腳處采用實心斷面。除拱腳部分采用支架現(xiàn)澆外，余均采用節(jié)段預(yù)制，現(xiàn)澆濕接頭的方式連成整體，其中跨中預(yù)制階段為4 m，其余預(yù)制節(jié)段長為9 m，節(jié)段間設(shè)置1 m現(xiàn)澆段（見圖4）。

圖4 系梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

吊索橫梁包含肋間部分和挑臂部分，均采用節(jié)段預(yù)制，現(xiàn)澆濕接頭的方式連成整體。肋間橫梁總長22m，跨中梁高2m，采用T形橫梁，頂板寬3 m，厚0.28 m，腹板厚度由跨中0.4 m漸變到支點0.5 m，過渡段長度2.0 m；挑臂橫梁長5.8 m，采用T形截面，頂寬3 m，梁高由懸臂根部的1.55 m漸變至端部0.85 m，頂板厚0.28 m，腹板厚度0.4 m（見圖5）。

圖5 吊索橫梁跨中橫斷面圖（單位：cm）

拱腳橫梁包含肋間部分和挑臂部分，肋間部分長度為22 m，單側(cè)挑臂部分為5.8 m，采用支架現(xiàn)澆方式施工?？缰辛焊?.8 m，肋間橫梁采用單箱雙室截面，頂寬6.44 m，底寬4.94 m，頂板厚40 cm，底板、腹板厚度由跨中40 cm漸變到支點50 cm，過渡段長度2.1 m；挑臂橫梁長5.8 m，采用π形截面，頂寬6.44 m（見圖6）。

圖6 拱腳橫梁跨中橫斷面圖（單位：cm）

1.4 橋面板

橋面板有預(yù)制簡支板和現(xiàn)澆整體板。預(yù)制簡支板直接擱置在相鄰橫梁上，板與板之間鉸接或剛接，同時用橋面鋪裝連成整體，這種橋面板施工方便，但整體性較差，特別是端橫梁位置，在重車作用下，由于板剛度小，轉(zhuǎn)動大，支座容易脫落；整體現(xiàn)澆板與主梁的縱、橫梁體系形成整體，不僅承受局部車輪荷載，同時參與縱、橫梁整體受力，整體性好。因此，該工程采用整體現(xiàn)澆板的橋面板形式。

橋面板厚度0.28 m，由預(yù)制橋面板與現(xiàn)澆橋面板兩部分組成。預(yù)制橋面板與吊索橫梁一起預(yù)制，中間再澆筑2.0 m寬的現(xiàn)澆橋面板，通過橫梁預(yù)留鋼筋與橫梁連接。

1.5 吊索及錨固設(shè)計

該工程橋面較寬（37.6 m），吊索承受荷載較大，并且考慮運營階段吊索更換的簡便性，采用縱向雙吊索形式。

吊索采用柔性吊索，為便于換索，同時減小單根拉索局部受力，其布置形式為縱向雙吊索，同一吊點雙吊索間距為0.6 m，吊點間距為5 m。為減小吊索導(dǎo)管對拱肋截面的削弱，采用尺寸較小的整體擠壓成束錨具。為便于檢查，將錨頭外露于拱肋頂部，并用防護罩密封。

梁上錨固設(shè)計借鑒斜拉橋中銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)特點，在系梁施工時將錨固結(jié)構(gòu)預(yù)埋入混凝土梁內(nèi)，利用連接件及底部的端錨板來實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的傳力（見圖7）。這種外露梁頂?shù)腻^固方式給養(yǎng)護和檢修帶來了很大的便利，吊索與耳孔采用銷鉸式連接，釋放了吊索端部轉(zhuǎn)動自由度，可減小可變荷載作用下吊索的附加彎曲應(yīng)力，避免了防護套在反復(fù)荷載作用下的損壞。

圖7 組合錨拉板結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 縱向整體計算

主橋整體結(jié)構(gòu)靜力計算采用Midas/Civil空間桿系有限元方法進行計算，建立包括拱肋、系梁、吊索的全橋有限元模型。其中，系梁、拱肋采用空間梁單元，吊索、臨時系索采用只受拉桁架索單元。有限元計算模型如圖8所示。

圖8 整體計算模型

鋼管混凝土拱肋截面采用Midas自帶組合截面模擬，通過不同階段截面的組合實現(xiàn)管內(nèi)混凝土依次參與受力。

計算荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載及施工階段臨時荷載等。縱向計算對以下方面進行了驗算，結(jié)果表明，受力滿足規(guī)范要求[3-4]：

（1）系梁承載能力、持久狀態(tài)應(yīng)力及撓度；

（2）吊索承載能力及疲勞應(yīng)力幅；

（3）拱肋承載能力、鋼管應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、撓度驗算；

（4）風(fēng)撐強度驗算；

（5）短暫工況施工階段及換索工況驗算；（6）斷索偶然工況驗算；（7）彈性屈曲穩(wěn)定驗算。

2.2 橫梁驗算

由于系梁自身的抗扭剛度及系梁、橫梁組成的框架效應(yīng)，橫梁在吊索位置處于彈性支承狀態(tài)，介于簡支邊界和固結(jié)邊界之間，為保證其受力安全，橫梁計算考慮了簡支和固結(jié)兩種邊界形式，計算模型如圖9所示。

圖9 橫梁計算模型

橫梁計算考慮了截面的有效分布寬度，模擬了橫梁簡支變連續(xù)的架設(shè)過程，汽車活載按杠桿法考慮。計算表明，橫梁在兩種邊界條件下均能滿足受力要求。

2.3 錨拉板系統(tǒng)局部計算

吊索梁上錨固采用了全新的組合錨拉板系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，錨拉板、加勁板、端承板及連接件。錨拉板沿豎向插入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，錨拉板上露出混凝土結(jié)構(gòu)部分設(shè)置耳孔用于連接拉索；端承板水平焊接在錨拉板底部，通過板面承壓來承擔(dān)部分拉力；加勁板對稱焊接在錨拉板兩側(cè)，增強錨拉板的側(cè)向剛度。加勁板與錨拉板上都有開孔并貫穿鋼筋形成開孔板連接件，通過連接件的抗剪作用抵抗拉索拉拔力。其構(gòu)造如圖10所示。

圖10 組合錨拉板結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖（單位：cm）

為保證結(jié)構(gòu)的安全性，對錨拉板組合錨固結(jié)構(gòu)進行全面的力學(xué)性能分析。分析了各種布置形式下的連接件剪力分配、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、混凝土應(yīng)力狀態(tài)及鋼混結(jié)合位置位移。

采用大型通用有限元軟件ANSYS建立節(jié)段局部模型（見圖11）。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型長度考慮在5 m長的錨固節(jié)段兩側(cè)各建入5 m系梁節(jié)段，對混凝土系梁、錨拉板鋼板及開孔板連接件分別采用solid45實體單元、shell63板殼單元和彈簧單元combin14進行模擬；鋼板與混凝土系梁間接觸采用conta173與targe170單向標(biāo)準(zhǔn)接觸，不考慮鋼-混之間的摩擦效應(yīng)。

圖11 有限元模型

在基本組合設(shè)計荷載下，吊索索力為1 540 kN。索力的施加通過對錨拉板銷軸孔上半圓弧施加的均布壓力模擬，系梁等效荷載中的軸力通過在梁端施加均布軸向荷載模擬，等效彎矩通過在梁端上、下緣施加等大反向的荷載模擬。通過兩組梁端荷載的施加調(diào)整錨固位置內(nèi)力，使其于整體模型中系梁內(nèi)力一致。

計算表明錨拉板開孔板連接件、加勁板開孔板連接件及承壓板荷載分擔(dān)比例如表2所列。

表2 荷載分配比例表

錨拉板開孔板連接件剪力分布呈現(xiàn)由上至下逐漸減小的趨勢，上面第1排的邊上開孔板連接件豎向剪力值最大，為73 kN，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》[5]計算得到單個開孔板極限承載能力為298 kN，安全系數(shù)分別為4.08，連接件安全儲備較大。錨拉板開孔板連接件剪力分布如圖12所示（圖中橫坐標(biāo)為列序號，其中“0表示為中間列”，“-”表示左側(cè)，下同）。

圖12 錨拉板開孔板連接件剪力分布圖

加勁板開孔板連接件剪力分布呈現(xiàn)由上至下逐漸減小的趨勢，橫向分布為邊列受力最大，最大值出現(xiàn)在上面第1排邊列，為28 kN。加勁板開孔板連接件剪力分布如圖13所示。

圖13 加勁板開孔板連接件剪力分布圖

設(shè)計荷載作用下，鋼結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)如圖14所示。

圖14 鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)示意圖（單位：Pa）

錨拉板應(yīng)力由上至下逐漸減小，除銷鉸加強板區(qū)域、加勁板與承壓板接觸的局部區(qū)域外，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不超過80 MPa。

設(shè)計荷載下（對應(yīng)整體模型中上緣應(yīng)力最大工況），從系梁中心縱、橫剖面正應(yīng)力分布（見圖15、圖16）可以看出：系梁出現(xiàn)不大于0.7 MPa的拉應(yīng)力，出現(xiàn)在防水平臺位置，其它區(qū)域基本均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。系梁橫剖面壓應(yīng)力大于15 MPa的區(qū)域為橫梁鋼束作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖15 系梁縱剖面整體正應(yīng)力示意圖（單位：Pa）

綜上所述，組合錨拉板結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

3 橋梁施工

主橋采用先拱后梁施工，具體施工順序如下：

（1）在主墩處搭設(shè)支架，現(xiàn)澆系梁現(xiàn)澆段、拱腳及拱腳橫梁。

圖16 系梁橫剖面整體正應(yīng)力示意圖（單位：Pa）

（2）采用單臺600 t浮吊單片吊裝拱肋架設(shè)安裝（吊裝重量260 t），安裝鋼管拱之間的風(fēng)撐。

（3）分批灌注拱肋鋼管混凝土，先灌注下管，鋼管拱內(nèi)混凝土達到設(shè)計強度后灌注上管。

（4）按跨中至拱腳的順序逐段對稱吊裝安裝系梁，澆筑濕接縫，張拉縱梁預(yù)應(yīng)力，拆除臨時系索。

（4）安裝預(yù)制橫梁，由于橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉對系梁有面外受力效應(yīng)，考慮了散裝橫梁安裝順序?qū)ο盗菏芰Φ挠绊懀篴.跨中至拱腳安裝；b.拱腳至跨中安裝；c.二分法安裝，即先安裝跨中橫梁，再安裝1/4跨橫梁，逐插中安裝。分析表明：按跨中至拱腳順序安裝最優(yōu)，橫梁面外彎矩最小，該橋施工采用了跨中至拱腳安裝的順序。

（5）現(xiàn)澆施工橋面系。

在施工過程中，在系梁未成型之前，采用臨時系索控制拱肋受力和拱腳變位，臨時系束鋼絞線整束擠壓型拉索，在拱肋架設(shè)、管內(nèi)混凝土灌注、系梁吊裝過程中張拉對應(yīng)批次臨時系索，控制拱腳位移在5 mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

以湖州市環(huán)漾大橋為背景，介紹鋼管混凝土系桿拱橋的拱肋、系梁、橫梁、吊索及其錨固系統(tǒng)等主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算。針對吊索梁上錨固采用的創(chuàng)新型錨固系統(tǒng)-錨拉板組合結(jié)構(gòu)進行了局部分析。結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，受力可靠。最后介紹了橋梁先拱后梁的施工方案。其研究成果可為同類橋梁的設(shè)計、計算提供建議和參考。