鋼管混凝土三肋系桿拱橋結構受力分析

劉全孟

（中國華西工程設計建設有限公司，四川成都 610031）

1 工程概況

某項目位于南充市橫跨蘭渝鐵路南充火車站11道軌道，橋梁采用下承式鋼管混凝土三肋系桿拱橋，計算跨徑組合為1×120 m。橋面縱坡采用0.3%，橫坡采用1.5%，主橋橋梁全長123.2 m。橋面橫向布置為：1.5 m（邊拱肋范圍）+0.5 m（防撞墻）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墻）+12.25 m（行車道）+2.5 m（中央分隔帶、防撞墻、中拱肋）+12.25 m（行車道）+0.5 m（防撞墻）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墻）+1.5 m（邊拱肋范圍），結構全寬38 m。

2 技術指標

（1）道路等級：城市主干道；雙向6車道。

（2）路線線性標準：本橋位于直線上，橋面縱坡為0.3%；行車道1.5%雙面坡，人行道2%向內單面坡。

（3）設計荷載：城-A級，人群荷載3.5 kN/m2。

（4）設計基準期：100年；橋梁設計使用年限100年。

（5）安全等級：一級；跨蘭渝鐵路凈空約12 m。

3 主橋設計

3.1 鋼管混凝土主拱及風撐概況

拱軸線形狀直接影響到拱肋截面的受力，對于下承式系桿拱橋，橋面系重量通過均勻分布的吊桿傳遞給拱肋，拱肋在跨徑方向承受的荷載相對均勻，選擇2次拋物線為拱軸線是合理的。下承式系桿拱矢跨比不宜太小，矢跨比越小，系桿承受的拉應力越大，需要布置的預應力鋼束就越多；其次橫撐布置位置就會降低，容易使人產生壓抑感，不美觀。

拱肋的理論計算跨徑為L0=120 m，計算矢高24 m，矢跨比f=1/5，理論拱軸線方程為y=4fx（L-x）/L02。橋面結構橫梁采用預應力混凝土T型梁，順橋向與系梁連接，行車道板采用5 m跨徑鋼筋混凝土空心板，先簡支后結構連續。

全橋共設三榀鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為啞鈴形，高300 cm，寬120 cm；鋼管主材采用Q345qC鋼材，內灌注C50微膨脹混凝土，上下主鋼管直徑為120 cm，鋼管內設置厚度16 mm Q235加勁環形鋼板。邊肋鋼管壁厚δ=16 mm，拱肋上下弦管之間連接腹板δ=16 mm，腹板間距60 cm；中肋鋼管壁厚δ=24 mm，拱肋上下弦管之間連接腹板δ=24 mm，腹板間距60 cm；腹板間除拱腳面以外4.2 m范圍及吊桿縱向1.0 m（邊肋）、1.5 m（中肋）范圍灌注混凝土外其余均不灌注混凝土，腹板線方向1 m對稱設置一道橫向加勁肋；腹板居中設一道縱向加勁肋。

拱肋之間共設7道一字組合橫撐，橫撐上、下弦管采用外徑80 cm、壁厚δ=1 cm的鋼管，橫撐橫向、豎向連接管采用外徑40 cm、壁厚δ=1 cm的空鋼管，鋼結構受力滿足相關要求[1]。

3.2 系桿、橫梁和橋面構造

①系梁全長123.2 m，系梁梁高2.7 m；邊系梁寬1.8 m，在梁端7.5 m范圍內向外側加寬至2.3 m，腹板厚45 cm，頂板厚40 cm，吊桿錨箱處實心段長1.2 m，邊系梁配置20束15?s15.2和4束12?s15.2的鋼絞線；中系梁寬3.5 m，腹板厚50 cm，頂板厚45 cm，吊桿錨箱處實心段長1.7 m，中系梁配置28束15?s15.2的鋼絞線；系梁端拱腳處7.5 m采用C50聚丙乙烯纖維混凝土。

（2）橫梁：全橋共設22道預應力混凝土中橫梁和2道端橫梁。中橫梁采用T形實心截面，橫梁底寬50 cm，橫梁翼緣寬90 cm，每個中橫梁配置6束9?s15.2的鋼絞線。端橫梁采用矩形空心截面，梁寬4.5 m，高3.5 m，頂板厚60 cm，腹板厚80 cm，每個端橫梁配置18束15?s15.2的鋼絞線。

（3）橋面板采用鋼筋混凝土空心板梁，先簡支后結構連續，梁高35 cm，邊板寬147 cm，中板寬124 cm，板梁間隙1 cm，采用絞縫連接，預制標準段長度4.5 m（中跨）和4.75 m（邊跨），兩側預留25 cm的現澆段，車行道板直接放置在橫梁上，不設支座；鉸縫混凝土采用小石子混凝土。

3.3 拱橋吊桿及吊桿錨箱

三片拱肋共設66對吊桿，邊肋單吊桿，中肋為雙吊桿，第一根吊桿理論中心線距離支點7.5 m，其余吊桿理論中心線間距均為5.0 m。每根吊桿均由85絲直徑7 mm的PES.HY（FD）低應力全防腐、高強環氧噴涂鋼絲組成，雙吊桿之間縱向間距73 cm。在距梁頂3 m范圍內，于吊桿PE護套外，加設0.5 mm厚的不銹鋼管予以防護。吊桿的張拉端位于拱肋上端。下錨箱設計參考了文獻[2]；下錨箱設計為錨固端，吊桿端頭的錨杯和鋼箱之間通過螺母和錨墊板N2傳遞力；在螺母和N2鋼板之間設置萬向腳裝置，適應二者之間的變形要求。鋼板之間均有焊縫，采用熔透焊縫；N2鋼板為長420 mm、寬420 mm和厚40 mm；兩塊N1鋼板為寬420 mm和厚40 mm，每塊鋼板設置12根的直徑32 mm的HRB400螺紋鋼筋作為錨筋錨固于系梁混凝土中。為了減少拉板和預應力混凝土系桿連接處應力集中和改善下錨箱周圍積水情況，在主梁頂部錨箱周圍設置了高度10 cm的混凝土排水臺，凸臺頂面要求抹流水坡，向上微拱形成高差快速排水，側面設置4 mm側封門，側封門和N1鋼板用用螺栓連接，中間加一圈橡膠墊密封，錨箱內錨具應涂抹專用防腐油脂防腐，錨箱頂端設計防水蓋板和錨箱和套筒連接牢靠，所有鋼結構都進行防護涂裝。

3.4 拱腳設計

對于采用鋼管混凝土拱肋、預應力混凝土結構的下承式系桿拱橋，在縱梁及端橫梁相交位置設置鋼筋混凝土拱座。鋼管混凝土系桿拱橋拱腳位置需要設計縱向橫向和豎向預應力，受力復雜，設計時候要考慮施工過程中鋼束之間相互關系，避免出現矛盾，無法施工。鋼管拱端部設置承壓板和對應的加勁肋，腹板之間設置開孔鋼板分段焊接，主管周圍焊接直徑22 mm高150 mm焊釘。

為了提高拱腳的受力性能采用了如下措施：①拱腳混凝土采用C50聚丙烯纖維混凝土。②拱腳設置3?s15.2豎向低松弛預應力鋼絞線。③拱腳兩側外包14 mm厚度的鋼板，兩側鋼板設置對拉鋼筋并焊接牢固，拱背設計14 mm厚度的鋼板和兩側鋼板焊接。

3.5 下部結構和附屬結構

本橋下部結構承臺基礎采用直徑200 cm（中墩）和直徑180 cm（邊墩）鉆孔灌注樁基礎，鋼筋混凝土承臺厚度為3.5 m（中墩）和3.0 m（邊墩），樁基按嵌巖樁設計，樁基礎和承臺采用C35混凝土。墩柱及蓋梁采用矩形實心截面，中墩截面4.0 m×3.5 m，邊墩截面2.6 m×3.5 m，蓋梁截面4.5 m×2.5 m，在蓋梁引橋兩側設置墊梁。墩柱為C50鋼筋混凝土，蓋梁為C50預應力混凝土，配置24束12?s15.2的鋼絞線。

橋梁每側設置2道防撞墻，人行道內側及中央分隔帶兩側采用SS級防撞墻，人行橫道側采用SA級防撞墻和防拋網；橋梁兩側設置異物侵限監控系統。橋梁每側按5 m設計一個100 mm橫向排水管；接入縱向直徑300 mm縱向排水管。

4 主要施工步驟

（1）施工下部橋墩結構，工廠制作拱肋鋼構件。

（2）搭設施工系桿支架；并進行預壓以消除非彈性變形影響。

（3）在支架上立模澆注分5段澆筑主梁，先澆筑跨中梁段1，然后澆筑梁段2，再澆筑梁段3；注意保證箱梁截面一次形成及系梁的預拱度，張拉系梁縱向第一批鋼束。

（4）澆筑端橫梁及分批澆筑中橫梁，張拉橫梁部分預應力鋼束N1、N3。

（5）搭設拱安裝支架，安裝拱肋并灌注管內混凝土，對稱張拉系梁縱向第二批鋼束。

（6）安裝吊桿，并第一次張拉。拆除主縱梁支架張拉系梁縱向第三批鋼束，張拉所有中橫梁N2鋼束。

（7）安裝預制橋面板，第二次張拉吊桿，橋面系施工。

（8）全橋施工完成，進行靜載試驗。

5 結構內力分析

對主橋采用Midas Civil進行全橋計算分析；拱橋拱肋、系桿、端橫梁、中橫梁采用梁單元，橋面板采用板單元，吊桿采用只受拉桁架單元建模。全橋計算模型如圖1所示。

圖1 全橋計算模型

三片拱肋的系桿拱橋，荷載在三個拱肋之間的分配比例與結構自重的分布、橋梁橫斷面的布置情況等關系密切，空間特征明顯。

5.1 系桿及端中橫梁受力情況

邊系桿、中系桿、端橫梁和中橫梁的抗剪和抗彎均滿足要求[3-4]。系桿、端中橫梁應力情況如表1所示。

表1 系桿、端中橫梁應力情況

5.2 吊桿驗算

吊桿設計中，在成橋階段吊桿的恒載內力基本均勻，恒載最小值1044 kN，恒載最大值1433 kN；吊桿由拉索組成；拉索選用規格為單根85?7的鋼絲成品吊桿索，?7鋼絲吊桿破斷力按鋼絲強度σb=1670 MPa計算，破斷力5463 kN，標準組合下最大組合內力1588 kN，5463/1588=3.44＞3，吊桿的安全儲備度滿足要求[5]。

5.3 撓度驗算

城市－A級車道活載最大豎向位移為16.8 mm，最小豎向位移為-3.0 mm；人群活載最大豎向位移為3.4 mm，最小豎向位移為-1.0 mm；活載絕對撓度為（16.8+3.0+3.4+1.0）=24.2 mm，撓跨比為0.0242/120=1/4959＜1/1000，拱肋剛度滿足要求規規范要求[5]。

5.4 穩定計算

主拱圈存在穩定問題，且穩定問題往往成為控制因素；線性一類穩定系數要求大于4；系桿拱隨跨度的增加橫向穩定問題較突出；橫撐布置對結構穩定性影響比較大。

工況①：結構自重+全跨滿布汽車+全跨滿布人群下，為面外失穩，穩定安全系數8.5。工況②：結構自重+半跨滿布汽車+半跨滿布人群下，為面外失穩，穩定安全系數8.96。

6 結語

三肋系桿拱橋邊、中拱肋受力差別較大，采用拱肋高度一樣，壁厚不同能保持結構美觀，中拱肋系桿尺寸和配束大于邊拱肋尺寸和配束既滿足受力需要并節約材料，在條件受限條件下可以減少橋面寬度，節約造價。拱肋線條優美，可加工性強，施工方便，節約工期，拱橋吊桿上端采用拱頂張拉，下端采用鋼錨箱錨固于橋面有利于后期養護和換束需求，設計凸臺和錨箱側門有利于錨箱防護和防水，提高結構使用性能。