一座無加勁弦連續鋼桁拱橋結構設計與施工

陳耀軍，王亞萍，劉甜甜，陳正星

(1.臺州市城鄉規劃設計研究院有限公司 臺州市 317700； 2.臺州市交通勘察設計院有限公司 臺州市 317700；3.浙江數智交院科技股份有限公司 杭州市 310000； 4.浙江公路水運工程咨詢有限責任公司 杭州市 310006)

1 工程概況

某跨河連續鋼桁拱，孔跨布置為57m+152m+57m，梁端距離邊支座中心1m，全長268m，見圖1。兩片主桁，主桁橫向間距24m，雙向6車道+兩側人行道，節間長度9.5m，邊跨設置6個節間，中跨設置16個節間，下拱肋采用二次拋物線，矢跨比為1/4，拱肋推力由系梁及鋼橋面承受，對外無推力；中跨吊桿采用縱向雙吊桿設計，全橋共設置60根吊桿；該橋建成后不僅能滿足交通功能要求，還能對提升橋位處的整體景觀起到積極作用。

圖1 連續鋼桁拱橋型布置圖

2 主桁設計

常規連續鋼桁拱在中支點位置設置加勁弦[1]，加大中支點桁高，保證施工及運營期間桿件受力，如圖2，本橋若采用加勁弦桁式，中支點處支座及鋼結構均有防水要求，本橋百年水位181.12m，若采用中支點設置加勁弦桁式，需將主橋線路整體抬高，引橋加長，主橋兩側引橋各需增加約260m，增大線路投資。因此本橋采用無加勁弦連續鋼桁拱設計，見圖3，孔跨布置為(57+152+57)m，雙向6車道+每側2m寬人行道。

圖2 加勁弦連續鋼桁拱方案

圖3 無加勁弦連續鋼桁拱橋方案

(1)主桁片數選擇

6車道+兩側2m人行道橋寬需求，主桁片數可以采用兩片主桁、3片主桁或者分幅設計。

①兩片主桁受力特點

行車通透性較好，兩片主桁受力對稱、制造便利，但橫梁跨度大，為了減小橫梁受力，將人行道設置在主桁外側，主桁橫向間距為24m，橫梁可以通過變高設計使橫梁與下弦桿件連接匹配，用鋼量相對較省。

②3片主桁受力特點

橋梁總寬度需要增加中間主桁構造寬度，行車視野被中桁受限較差；橫梁由3片主桁支撐，跨度減半，受力較小，可以輕松與下弦匹配；3片主桁施工繁瑣、中桁與邊桁受力不一致增加構造及制造難度，3片主桁適用于車道數較多的市政公路超寬橋或者活載較大的鐵路橋[2]。

③分幅設計

橫梁寬度類似于3片主桁設計，但需要4片主桁，上部結構用鋼量大增，同時基礎費用也增加；

本橋綜合用鋼量、制造難度、施工難度及構造連接便利，最終確定采用兩片主桁。

(2)主桁桁高及矢跨比

下拱肋節點線形位于二次拋物線上，最長吊桿38m，矢跨比1/4；邊跨及中跨桁拱變桁高設計，中跨上拱肋及邊跨上弦節點線形通過2個曲線圓潤過渡，為預留橋門架位置凈空要求，邊支點桁高10m，中支點桁高21.3m，拱頂桁高6m。

(3)節間長度及主桁桁式

為保證橫梁縱向影響線長度不過長，縱梁計算跨度不過大，同時保證主桁桿件交角最大不超過60°，最小不小于25°，節間長度設置為9.5m，邊跨6個節間，中跨16個偶數布置的節間，便于制造廠對稱制造降低難度，采用N型桁式。

(4)主桁桿件截面布置

邊跨上弦、下弦、中跨上拱肋、下拱肋均采用箱型桿件，桿件名稱見圖4，腹板大部分采用H型桿件，受力較大的壓桿為減小面內長細比采用箱型桿件，全橋桿件內寬720mm，上弦內高720mm，下弦內高1260mm，下拱肋桿件根據受力程度變高設計，從拱頂最小720mm內高增加到拱腳最大1080mm內高；工字型腹桿翼板寬度630mm。

圖4 主桁構件名稱示意圖

(5)主桁節點形式及桿件連接

為減少用鋼量及降低現場施工時間，主桁采用整體節點，桿件之間采用螺栓連接，主桁上下弦桿、拱肋采用4面對拼，工字型腹桿采用3片對拼。

3 鋼橋面設計

本橋為對外無推力拱，因此采用受拉性能好的鋼橋面，拱肋推力由中跨系梁及鋼橋面承受。鋼桁拱橋面通常采用密布橫梁鋼橋面[3]，本橋由于橋寬，為節省鋼橋面用鋼量，采用縱橫梁+小橫肋正交各向異性鋼橋面形式，橋面構件的設置引導橋面傳力途徑有：鋼橋面—U肋—橫梁—節點；鋼橋面—U肋—橫肋—縱梁—橫梁—節點；鋼橋面—U肋—橫肋—下弦—節點。

(1)鋼橋面板及縱向加勁肋

主桁之間設置16mm厚鋼橋面板，為了減小橫梁面外受力，橋面板與主桁下弦伸出肢相連形成連續板桁結構；車行道范圍設置高300mmU肋進行縱向加勁，U肋橫向間距600mm，橫梁橫肋開口保證U肋連續通過。

(2)節點橫梁

節點位置設置一道節點橫梁，見圖5，橫梁采用倒T型截面，變高設計，橫梁端部高1260mm，與下弦等高便于連接；跨中彎矩較大區域加高到2600mm，下翼板寬740mm，厚度32mm。

圖5 節點橫梁斷面布置圖

(3)縱梁

全橋設置6道縱梁，縱梁橫向間距3.3m，縱梁采用倒T型截面，縱梁高度1200，橫梁開孔保證縱梁連續通過，縱橫梁相交位置縱梁底板下方設置牛腿，保證彎矩傳遞。

(4)節間橫肋

為了減小U肋第二體系，橫梁之間設置2道橫肋，橫肋采用倒T型截面，橫肋高度840mm，由下弦及6道縱梁支撐，減小橫肋計算跨度從而減小橫肋用鋼量，橫肋與縱梁相交位置設置牛腿保證彎矩順利傳遞。

圖6 節間橫肋斷面布置圖

4 吊桿設計

為減小用鋼量，本橋采用柔性吊桿。由于吊桿為20年使用壽命的可更換桿件，為便于后期吊桿更換，同時增加意外斷索結構安全度，采用雙吊桿設計，后期更換吊桿不需要中斷交通。結合下拱肋及下弦節點構造，采用縱向雙吊桿，吊桿縱向間距630mm，見圖7。吊桿與下拱肋、下弦節點板采用高強螺栓連接便于后期更換，下拱肋側為固定端，下弦側為張拉端，通過下弦檢查車便于吊桿更換后張拉，張拉空間不受限制。下弦頂底板均開孔同時通過水平板補強下弦受力面積。

圖7 縱向雙吊桿布置圖

5 聯結系設計

為增加兩片主桁整體性，保證主桁面外穩定，同時抵抗風力等水平力，本橋設置平縱聯及橫聯，見圖8。

圖8 聯結系布置圖

(1)平縱聯設計

本橋設置下平縱聯及上平縱聯，上平縱聯設置在邊跨上弦及中跨上拱肋桿件上，下平縱聯設置在中跨下拱肋桿件上，由于節間長度小，兩片主桁間距大，因此采用米字型平縱聯布置；中跨第一節間下平聯因為凈空要求不能滿節間設置。

(2)橫聯設計

邊支座位置設置桁架橋門架，中間隔節間設置一道橫聯，橫聯采用v型斜桿，中間設置直豎桿保上平縱聯面外計算長度不過大，中支點桁高較大，采用雙層橫聯，其余均采用單層橫聯設置。

6 施工方案

本橋施工方案為先邊跨后中跨，結合履帶吊利用臨時墩拼裝邊跨，中跨先拱肋后橋面。

(1)在兩岸設置預拼場，進行主橋基礎和墩身的施工，同時進行邊跨臨時支墩施工，在邊墩設置起落梁及縱橫向移梁設施；在中墩設置縱橫向移梁設施。

(2)安裝邊墩臨時支座，利用履帶吊安裝邊跨鋼梁兩個節間。

(3)利用履帶吊借助臨時墩架設邊跨鋼梁至中墩，邊跨主桁、橋面系、聯結系均安裝，中支座就位；鎖定中墩支座縱向水平位移，兩側進行壓重，保證施工期間縱向抗傾覆。

(4)利用履帶吊繼續懸拼中跨拱肋，橋面與系梁不安裝，繼續架設鋼梁至中跨中，預留合龍口；通過兩側邊支座落梁、縱移梁，使合龍口達到合龍要求,依次合龍桁拱下弦桿、桁拱斜桿、桁拱上弦桿，再連接平橫聯桿件。

(5)吊裝中跨系梁、橋面及吊桿至中跨合龍口，微調壓重與邊支座頂落梁位移使系梁合龍口達到合龍要求,拼裝合龍口系梁和橋面板。

(6)邊支座上抬，安裝永久支座，拆除壓重。

(7)安裝橋面鋪裝、欄桿、人行道，施工檢查設施，涂裝最后一道面漆，成橋。調整索力使索力和高程均達到設計要求，進行動靜載試驗。

7 結語

本橋為無加勁弦市政連續鋼桁拱，桿件縱多，結構復雜，同時橋寬大橫向受力要求高，主桁、橋面系、聯結系、吊桿各個組成部分相互影響制約，設計上需要統籌考慮：

(1)主桁片數、節間長度需要考慮橋面及聯結系的布置。

(2)本橋為市政寬橋提供一種結構新穎、用鋼經濟的橋面體系。

(3)為增加鋼桁拱安全系數、便于后期更換吊桿及更換吊桿時減小交通影響，建議采用雙吊桿布置。

(4)本橋為節間長度較小、桁寬較大鋼桁梁、鋼桁拱提供一種聯結系布置模式。