一座裝配式下承系桿拱橋的設計探討

朱 純 海

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

本橋位于鹽城建湖縣，是雙湖路上一個重要的節點控制工程。雙湖大橋段為雙向六車道城鎮道路斷面，斷面總寬50 m，分三幅布置。具體斷面布置為：4 m人行道+5.5 m非機動車道+4.25 m機非分隔帶+0.5 m路緣帶+3×3.5 m機動車道+0.5 m雙黃線+3×3.5 m機動車道+0.5 m路緣帶+4.25 m機非分隔帶+5.5 m非機動車道+4 m人行道。

大橋跨越五級航道西塘河，通航凈空為45×5 m，大橋與西塘河的右偏角為104°。大橋主橋跨徑采用1-67 m，引橋標準跨徑采用25 m。雙湖大橋橋梁全長462.76 m，橋跨布置為(4×25)+(22.95+25+22.95+25)+(1-67)+(2×22.25+2×25)+(4×25)m。主橋采用預制拼裝的鋼筋混凝土系桿拱結構，引橋采用裝配式預應力混凝土組合箱梁結構。

大橋建成后實景如圖1所示。

2 雙湖大橋主橋設計要點

2.1 總體設計構思

1)橋梁總體布置。

本橋平面位于直線段上，考慮兩側非機動車通行需求與既有道路條件，大橋橋頭引道縱坡均采用2.45%，豎曲線半徑R=6 000 m。為滿足路橋平順銜接的功能需求，簡化橋梁結構受力并提升整體橋梁景觀，大橋橫向采用了三幅布置斷面，如圖2所示。

2)施工方案的選取。

下承式系桿拱橋的施工常用的有兩種：滿堂支架施工與吊裝施工。不同的施工方法會導致施工和成橋階段不同的橋梁內力分布，進而影響橋梁設計配筋，施工方案的選取至關重要。而施工方案的選取主要取決于以下因素：a.河道施工期間是否有通航要求；b.河道現狀有無搭設支架條件。

針對雙湖大橋工程實例，由于河道現狀河水較深，水面較寬，且施工期間有通航要求，故該橋除橋面系外主受力構件采用場地預制節段吊裝安裝的施工方案，在河道間設臨時墩并引導通航，將混凝土系梁分段吊裝施工，預留通航孔，吊裝施工拱肋、橫梁、鋼桁風撐及行車道板。

2.2 系梁設計

在系桿拱橋混凝土系梁的設計中，系梁的構造設計主要應考慮以下因素：1)橫梁高度對系桿高度的影響；2)系桿壓應力的控制；3)系梁梁端支座寬度對系梁寬度的控制；4)系梁在吊桿處的頂緣鋼筋應繞開吊桿，不宜截斷，下緣鋼筋在吊桿槽口兩側適當補強鋼筋。

系梁的設計計算還應注意以下方面：1)若直接通過系梁單元施加活載，應注意系梁單元的模擬需與其實際傳力途徑一致；2)系梁皆為分段預制，后澆濕接縫連接成整體，計算模型中應能真實反映此過程，即分階段模擬先簡支后連續過程；3)受預留通航孔的限制，系梁中間段較大，為控制系梁施工期間的應力水平與變形，應通過計算設置合適的短束滿足施工期的受力要求。

2.3 吊桿設計

吊桿設計考慮如下幾方面：1)剛性吊桿與柔性吊桿的選擇，常見的系桿拱橋設計中，相當部分采用了柔性拉索吊桿，外套很薄的防護不銹鋼套管；在實施過程中發現此種吊桿在小跨度的剛性系桿拱橋應用中有后張拉吊桿對已安裝吊桿影響較大，換索相對困難等問題，故建議采用外套受力鋼管的剛性拉索吊桿。2)明確吊桿施工過程中的張拉索力，大橋施工過程與成橋階段吊桿受力差異較大，有必要根據實際施工過程的需要確定吊桿拉索的分批張拉力，依據施工階段及成橋階段的控制要求，一般宜做到使剛性吊桿在施工和成橋階段始終不出現拉應力為宜。吊桿在施工階段需能承受施工恒載及結構恒載，第一批張拉控制應力可根據每根吊桿所分擔的恒載確定，并留一定的富余，最終的張拉控制應力應根據結構恒載和活載的共同作用確定。3)合理確定吊桿外套鋼管的尺寸，在擬定鋼管內徑時應滿足帶冷鑄錨頭拉索穿過的需求，鋼管壁厚的確定以換索時吊桿外套鋼管能獨立承受該節段恒載為原則；同時滿足個別長吊桿的壓桿穩定要求。4)為便于更換吊桿，吊桿在拱肋上的張拉段錨頭設計宜置于拱肋上端，下端錨固于系梁下緣，并做好錨頭防腐。

2.4 拱肋設計

本橋吊裝施工的拱肋設計主要考慮以下幾方面：1)吊裝過程中不允許拱肋出現裂縫并能滿足承載力要求即須合理地分段和確定每段吊點位置；2)拱肋在成橋階段的應力水平應滿足規范要求；3)為保證施工過程中拱肋鋼筋的合理受力及施工過程拱軸線精度控制的需要，混凝土拱肋在濕接頭處須設置半剛性鉸；4)在拱肋的主筋布置時應注意由于拱肋中部鋼筋在吊桿的施工過程中須截斷，且在吊桿拱頂張拉端處粗鋼筋恢復連接困難，考慮不計入截斷的幾根鋼筋受力，布置拱肋主筋時應盡量布置在吊桿穿過的兩側，中間僅布置較細的鋼筋，同時在截斷的部位補充拱肋短筋。

2.5 橫梁設計

橫梁的設計應區分對待端橫梁與內橫梁，計算分析表明端橫梁的邊界更接近于固端梁，內橫梁的邊界則更接近簡支梁。在計算橫梁的活載效應時可先應用杠桿法得到單車道車輛荷載產生的效應，再采用橫向加載的模式計算橫梁配束或配筋。內橫梁的設計宜盡量統一，支座順橋向的設置盡量保持與端橫梁形心軸一致或接近。

2.6 風撐設計

主車道主橋風撐跨徑達25.1 m，常規使用的混凝土結構因吊裝重量較大不利于施工，故本橋采用了輕型鋼桁梁風撐，在滿足受力的基礎上既方便施工也能提升橋梁景觀。

3 工程特色與技術亮點

1)倡導通行安全、順暢，合理選擇橋梁斷面布置。

本橋位于50 m寬的城市主干道上，道路斷面組成為4.0 m人行道+5.5 m非機動車道+4.25 m側分帶+22.5 m機動車道+4.25 m側分帶+5.5 m非機動車道+4.0 m人行道=50 m。

由道路斷面可知橋梁結構寬度在4.25 m側分帶內布置對通行安全、通暢要求是最有利的，而單幅橋梁會造成寬跨比失調(50/67)、結構空間受力復雜等問題，三幅橋的布置形式既實現了與道路的無縫連接也解決了橋梁整體受力與景觀問題。

2)精細化設計打造品質工程。

雙湖路是建湖縣的門戶道路，雙湖大橋作為雙湖路上的重要節點工程，打造品質工程是時代的需求。為確保整個項目的順利實施，從設計源頭抓起，樹立精細化設計理念，在主橋各構件設計中，結合受力需要，合理選擇截面型式，注重細節處理。

具體精細化設計體現在以下幾方面：

a.針對兩側人非橋寬度較小，選擇工字型系梁截面；對車行橋的系梁，考慮到預制橫梁架設時對系梁的較大的扭轉作用，選擇箱形截面。

b.鑒于拱腳鋼筋布置復雜，設計中充分考慮鋼筋位置的沖突問題。

c.鑒于車行橋主橋系梁中間段預留通航孔長度較大，通過節段短鋼束解決中間節段架設時的撓曲與開裂問題。

d.針對車行橋寬橋面帶來的混凝土風撐整體重量較大，吊裝困難等問題，設計轉換思路，采用了輕型鋼桁風撐型式，既簡化了施工也提升了大橋景觀效果。

3)推進綠色設計理念，采用預制拼裝施工工藝。

低碳環保是新時期橋梁建設的新要求，本橋全橋預制拼裝工藝的提出正是基于綠色設計理念，利用工業化生產確保混凝土澆筑質量，通過預留后澆帶解決預制構件間的拼接問題，通過設置拱肋半剛性鉸解決主橋拱肋預制構件的臨時定位。大橋引橋更是全部采用裝配式的組合箱梁結構，加快了項目建設進度，保證了項目建設質量。

4)樹立全壽命設計理念，采用防落梁設計，注重吊索的防腐、可更換、可維修設計。

隨著近年來系桿拱橋梁事故的頻發，人們越發關注此種結構在設計使用年限范圍內的安全性，結構的整體性差與吊桿失效是這類橋梁事故的主要原因，在本橋中樹立全壽命設計理念，采用防落梁設計，同時采用我院系桿拱橋剛性吊桿的專利設計，確保吊桿的防腐與更換的便捷性。

4 結語

本橋通過精心設計為工程的順利實施奠定了基礎，受到業主方與施工方的一致好評，同時獲得了良好的社會效益與經濟效益，可為系桿拱橋技術的發展提供了一定的借鑒，對推動系桿拱橋設計與施工成套技術的完善起到積極作用。