100m跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋設計

（核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610052）

1 工程概述

某大橋的主橋跨Ⅶ級通航孔而設，采用100m 跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋，橋面寬度22.3m，設置雙向四車道，橫向采用兩平行拱肋，啞鈴型截面。拱軸線型采用二次拋物線，計算矢高20m，矢跨比1/5。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

2 主要技術標準

（1）公路等級：三級公路

（2）設計時速：30km/h

（3）設計荷載：汽車荷載：公路-Ⅰ級；人群荷載：3.0kN/m2

（4）場區地震基本烈度：6 度；地震動峰值加速度：0.05g

（5）結構安全等級：一級

3 主橋結構設計

3.1 上部結構

（1）主橋拱肋按照平行布置，采用啞鈴型截面，上鋼管與下鋼管均采用φ1100×16mm 鋼管，鋼管間距1.5m，腹板采用16mm 厚鋼板，間距0.6m，鋼管及腹腔內均填充C50 低收縮微膨脹混凝土。

（2）在拱肋之間設置1 道一字型橫撐及4 道K 字型橫撐。橫撐均采用φ1100×16mm 鋼管，空心結構。

（3）縱向系桿采用預應力混凝土A 類結構，系桿全長103.2m，跨中梁高2.0m，梁寬1.5m，采用空心箱室截面。端部系桿為鋼管拱腳錨固進行局部加寬加高。

（4）橫梁采用預應力混凝土A 類結構，中橫梁采用T 型截面，端橫梁采用空心箱室截面。橫梁梁頂沿長度方向設置2%的人字坡，梁底保持水平。

（5）橋梁橋面板采用預制板后澆筑濕接縫的形式，橋面板板厚0.3m，矩形截面。預制板縱向放置于橫梁上，與中橫梁及端橫梁預留豎向鋼筋澆筑形成整體。在板頂預留橋面鋪裝層連接鋼筋，橋面鋪裝鋼筋與預制板鋼筋、橫梁預留鋼筋綁扎后澆筑橋面鋪裝混凝土。

3.2 下部結構

主橋下部結構采用L 型蓋梁柱式墩，基礎采用承臺群樁基礎，設計為嵌巖樁。

3.3 主體結構施工

河道現狀通航流量小，且施工期可禁航，為節約建設成本，主橋系桿、橫梁及拱肋鋼管安裝均采用支架法予以實施。

4 結構計算

4.1 拱肋結構靜力計算與分析

（1）有限元模型及荷載

采用通用有限元程序MidasCivil 進行總體計算，根據對鋼管混凝土截面的模擬方式，分別采用啞鈴型聯合截面法梁單元[1]及鋼構件、混凝土雙單元雙肢截面法建立有限元分析模型。啞鈴型截面的腹腔不計入截面受力，僅按自重荷載施加。大直徑鋼管混凝土約束效應差、影響因素多，所以不考慮鋼管套箍作用下混凝土抗壓強度的提高[3]。

圖2 聯合截面法拱肋模型

圖3 雙單元雙肢截面法拱肋模型

計算荷載如下：鋼材容重78.5kN/m3，混凝土容重26kN/m3，按實際截面計取，瀝青砼容重24kN/m3，橋面鋪裝層按荷載施加；環境升降溫按±25℃施加，橋面溫度梯度荷載T1=14℃，T2=5.5℃；系桿溫度梯度荷載T1=25℃，T2=6.7℃；啞鈴型截面上下主管溫差按照8℃計算；采用公路-Ⅰ級汽車荷載，按4 車道計算；人群荷載集度3.0kN/m2；風荷載按照百年一遇基本風速24.1m/s進行計算；有關荷載組合依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的規定。

（2）靜力計算結果

列出了拱肋在兩種建模方式下的結果對比，見表1。分析可知，組合后雙單元雙肢截面法拱肋剛度較聯合截面法的剛度小；同時，雙單元雙肢截面法在模擬中增加了附加約束而造成了一部分的附加應力，最終導致了計算結果相對偏大。由于約束增加而造成附加應力，主要表現在體系升降溫及截面溫度梯度作用時，因此采用雙單元分析時，應注意慎重對待溫度荷載計算結果。

表1 拱肋兩模型計算結果

另外，橋梁承載能力極限狀態吊桿應力587.2MPa，正常使用極限狀態系桿截面最大拉應力0.786MPa，橫梁截面均處于受壓狀態，截面承載能力極限狀態各構件作用效應組合設計值均小于構件承載力設計值。因此該橋各構件正常使用極限狀態和承載能力極限狀態均滿足規范要求。

4.2 拱腳節點局部受力分析

采用MidasFEA 有限元分析軟件，根據圣維南原理對拱腳局部節點段建立三維實體分析模型。有限元模型采用四面體網格單元，有限元模型總共69884 個單元，20907 個節點。

分別對①拱腳軸壓力最大工況；②拱腳負彎矩最大工況；③系桿端部軸力最小工況；④系桿端部彎矩最大工況四種最不利荷載工況進行包絡驗算，得到系桿部位最大正應力6.5MPa，為工況一；拱座最大主拉應力2.4MPa，為工況四；拱座最大主壓應力16.7MPa，為工況三。

圖4 工況四 主拉應力云圖

圖5 工況三 主壓應力云圖

設計中，根據節實體分析結果，按照應力圖形配筋法[5]對拱腳圓弧變截面位置主拉應力較大區域進行了配筋設計。

3.3 穩定性計算與分析

一般對于跨度大于300m 的鋼管混凝土拱橋，采用二類非線性穩定分析，本文的計算分析中以一類彈性穩定分析為主。考慮到拱肋鋼管安裝及灌注在支架法條件下實施，僅對結構在運營階段恒載、活載、溫度等荷載作用下，進行了穩定分析，結果如下表所示。

表3 運營工況下的穩定系數及失穩特征

對于下承式拱橋，當拱肋側傾時，柔性吊桿會對其產生水平恢復力，有抑制拱傾斜的作用，這種非保向力會有效提高拱肋穩定性[2][4]。基于穩定分析結果，可以認為橋梁結構的整體穩定滿足要求。

5 結語

（1）鋼管混凝土材料應用于以受壓為主的構件中，鋼管內的混凝土能有效阻止鋼管向內變形，增強鋼管抵抗局部屈曲能力，組合截面整體剛度增大，整體穩定性也大幅提高，較之鋼構件和混凝土構件均有很大的優越性。

（2）對啞鈴型鋼管混凝土拱肋分別采用了聯合截面法與雙單元雙肢截面法進行了模擬，通過驗算對比顯示雙單元雙肢截面法計算結果略偏大，主要由于在拱肋結構中增加了附加約束造成應力增加。

（3）通過建立拱腳局部三維實體分析模型，分析構件不利主應力區域，并通過設計配筋予以加強。拱腳連接節點多向荷載共同作用，結構受力復雜，設計時應予以重視。

（4）應注意拱橋在建造過程與運營階段的失穩問題。合理設置橫撐的布置形式及實施階段，能有效提高全橋的空間彈性一類穩定性。