3跨連續(xù)中承自錨式柔性系桿拱橋設(shè)計(jì)研究

任為東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

近年來(lái)隨著基礎(chǔ)交通建設(shè)投入的加大,國(guó)內(nèi)陸續(xù)新建了許多大跨度橋梁,橋梁設(shè)計(jì)和施工水平均不斷提高,在很多方面已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。拱橋這一在中國(guó)有著悠久歷史的橋型,也由于具有其他橋型無(wú)法比擬的景觀效果,在市政橋梁的建設(shè)中更容易獲得人們的青睞。

1 背景

拱橋通過(guò)拱肋承受橋面?zhèn)鬟f的豎向荷載,在拱腳處對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向和水平力,拱肋截面以受壓為主,從而能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的抗壓性能。在以前人們只能利用自然界提供的天然材料來(lái)修建橋梁以滿足人類跨越河流、溝渠時(shí),拱橋是最適合的一種結(jié)構(gòu)形式。

拱橋的受力形式有多種。對(duì)于下承式拱橋,通常讓梁、拱組合受力形成無(wú)推力的系桿拱橋,根據(jù)拱、梁的剛度大小還可分成剛梁剛拱、剛梁柔拱或柔梁剛拱,其中柔梁剛拱的形式更適合用于大跨度橋梁(圖1)。

圖1 下承式簡(jiǎn)支系桿拱橋

下承式的系桿拱橋一般設(shè)計(jì)成單跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu),外部為靜定結(jié)構(gòu),內(nèi)部為超靜定結(jié)構(gòu),可提供較高的抗剪和抗彎能力。如果橋梁受到橋下凈空的限制,一般則考慮采用中承式拱橋,橋面梁從拱肋中部通過(guò)。當(dāng)拱腳處基礎(chǔ)可以提供足夠的水平抵抗力,也可做成單跨無(wú)鉸拱。最近幾年來(lái),在平原地區(qū)為了跨江跨河陸續(xù)修建了多座大跨度中承式拱橋,由于平原地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件大都無(wú)法提供有推力拱橋所需的水平抗力,故一種新型的橋梁形式——3跨連續(xù)中承自錨式柔性系桿拱橋應(yīng)運(yùn)而生(圖2)。其主要特點(diǎn)為利用橋面系的柔性系桿張拉力來(lái)平衡主拱恒載對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平推力,使主拱基礎(chǔ)僅承受拱肋傳來(lái)的活載及升降溫度產(chǎn)生的水平推力。

圖2 3跨連續(xù)中承自錨式系桿拱橋(又稱飛燕式)

2 國(guó)內(nèi)幾座 3跨連續(xù)中承自錨式柔性系桿拱橋的簡(jiǎn)介

2.1 丫髻沙大橋主橋

在此類橋梁中比較有代表性的是廣州丫髻沙大橋主橋,其修建于 1998年,竣工通車(chē)在 2000年 6月。主橋跨度為 76m+360m+76m 3跨連續(xù)自錨式鋼管混凝土拱橋,橋面為雙向 6車(chē)道并設(shè)緊急停車(chē)帶,在當(dāng)時(shí)同類型橋梁中世界排名第一。邊跨、主跨拱腳均固結(jié)于拱座,邊跨曲梁與邊墩之間設(shè)置縱橋向活動(dòng)盆式橡膠支座,在兩邊跨端部之間設(shè)置鋼絞線系桿,其拉力通過(guò)邊拱拱肋來(lái)平衡主拱拱肋所產(chǎn)生的水平推力。結(jié)構(gòu)形式是標(biāo)準(zhǔn)的 3跨“飛燕式”拱橋(圖3)。

(1)主拱拱肋采用中承式雙肋懸鏈線無(wú)鉸拱,計(jì)算跨度 344m,矢跨比 1/4.5,拱軸系數(shù) m=2。每肋由6φ750mm鋼管混凝土組成,由橫向平聯(lián)板、腹桿連接成為鋼管混凝土桁架。在拱肋的弦管和平聯(lián)板內(nèi)灌注C50高強(qiáng)混凝土。

(2)邊拱拱肋采用上承式雙肋懸鏈線拱,計(jì)算跨徑 71.0m,矢高 27.3m,矢跨比為 1/5.2,拱軸系數(shù) m=2。每肋由高 4.5m、寬 3.45m的 C50鋼筋混凝土箱梁組成。

(3)橋面系:主橋橋面系為由鋼橫、縱梁組成的格子梁體系,混凝土橋面板與鋼橫梁組合截面共同受力,縱橋向受力為混凝土橋面縱梁。

圖3 丫髻沙大橋立面、平面布置(單位:mm)

(4)系桿布置在橋面系鋼橫梁每端吊點(diǎn)(支點(diǎn))兩側(cè),全橋共設(shè)置 10×2=20束 ,每束采用OVMXG15 37鋼絞線拉索體系,Rby=1 860 MPa。系桿外包雙層PE熱擠塑護(hù)套。每束系桿的拉力為 5 000 kN,全部施工過(guò)程中每索只需張拉一次。

2.2 盧浦大橋

盧浦大橋主橋跨度為 100m+550m+100m,主跨拱肋矢跨比 f/L=1/5.5。橋面為雙向 6車(chē)道(圖4)。其橋面系和拱肋的結(jié)構(gòu)又代表了另外一種思路。全橋結(jié)構(gòu)形式從外形上同丫髻沙大橋也是標(biāo)準(zhǔn)的“飛燕式”式結(jié)構(gòu),但是其邊拱系梁與拱肋、立柱、邊拱邊墩側(cè)端橫梁、中跨拱梁結(jié)合段橫梁固接,形成一穩(wěn)定的三角剛架體系,有效地提高了橋梁整體的剛度。

圖4 盧浦大橋立面、平面布置(單位:m)

(1)盧浦大橋拱肋采用整體鋼箱結(jié)構(gòu),箱寬 5m,高度從拱頂 6m到拱腳 9m,橋面以上兩片拱肋間設(shè)置25道一字橫撐,橋面以下設(shè) 8道 K字撐。

(2)邊跨橋面為整體單箱多室鋼箱;主跨橋面為分離式雙箱,橋面板為正交異性鋼板。主跨加勁梁的兩端支承在主跨拱梁交匯處的橫梁上,端支承為縱向滑動(dòng)支座。橫橋向和縱橋向設(shè)置阻尼裝置。邊跨橋面加勁梁兩端分別與拱肋固接。

(3)在兩邊邊跨端橫梁之間設(shè)置 16道水平系桿,以平衡主跨產(chǎn)生的近 200 000kN的水平推力。每根系桿由 421φ7mm平行鋼絲束組成,單根長(zhǎng)度 761m。

2.3 新光大橋

新光大橋的主橋跨度為 177m+428m+177 m 3跨中承式拱橋,主跨矢跨比 f/L=1/4。橋面為雙向 6車(chē)道(圖5)。

(1)拱肋結(jié)構(gòu):主、邊拱拱肋均為鋼箱桁架結(jié)構(gòu),兩拱肋的橫向中心距為 28.1m。拱頂截面徑向高為7.5m,拱腳截面徑向高為 12.0m。拱肋上、下弦均為箱形斷面,箱高為 1.58m,箱內(nèi)寬為 2.10m;拱肋腹桿為“H”形截面,與上、下弦整體節(jié)點(diǎn)板通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接。

圖5 新光大橋立面、平面布置(單位:m)

全橋共設(shè)置 11組橫撐,主拱拱肋 7組,兩邊拱拱肋各 2組。鋼桁拱肋間為桁架式橫撐。

(2)橋面結(jié)構(gòu):主跨由鋼橫梁、鋼縱梁、鋼筋混凝土橋面板組成,為半漂浮式橋面結(jié)構(gòu)體系。主跨部分由吊桿支承鋼橫梁,其余鋼橫梁放在三角剛架橋面梁的槽口上,并在鋼橫梁下翼緣兩端設(shè)置順橋向活動(dòng)球型鋼支座釋放橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的巨大水平力。鋼橫梁、縱梁組成了橋面格子梁體系,在鋼縱、橫梁頂面上布置φ22mm圓柱頭焊釘與鋼筋混凝土橋面板形成結(jié)合梁結(jié)構(gòu)。

邊跨是指邊拱及三角剛架部分。此部分橋面結(jié)構(gòu)由邊拱混凝土系桿或三角剛架橋面系梁 +混凝土縱、橫梁 +預(yù)制橋面板 +后澆層組成?；炷翙M、縱梁組成了橋面格子梁體系,預(yù)制橋面板支承于縱橫梁頂面,澆筑接縫混凝土和橋面后澆層形成整體橋面板。邊跨橋面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量根據(jù)平衡主拱傳給三角剛架豎向反力的原則確定。

邊拱系桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),承擔(dān)邊跨拱肋傳來(lái)的水平拉力。

三角剛架系梁為實(shí)體矩形截面,兩側(cè)斜腿為主跨、邊跨拱圈的延續(xù),斜腿為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

(3)主跨系桿采用 199φ7mm平行鋼絲索,在橋面系上對(duì)應(yīng)每個(gè)拱肋布置 8束系桿,全橋共 8×2=16根。系桿兩端錨固于三角剛架處主拱拱肋上弦桿外側(cè)。

新光大橋三角剛構(gòu)的兩側(cè)斜腿為拱肋的延續(xù),并同橋面系梁固結(jié),形成穩(wěn)定的三角剛構(gòu)結(jié)構(gòu)。在兩側(cè)三角剛構(gòu)頂面處主拱鋼拱肋間對(duì)拉柔性系桿平衡主拱產(chǎn)生的水平推力,邊拱的橋面系與拱肋固接,通過(guò)在邊墩頂設(shè)置縱向滑動(dòng)支座,釋放邊拱的水平推力。所以新光大橋也可以看作是固結(jié)在三角剛構(gòu)上的 3跨下承式拱橋。

上述 3座橋梁結(jié)構(gòu)體系其實(shí)不盡相同,其中丫髻沙大橋主橋是標(biāo)準(zhǔn)飛燕式 3跨拱橋,其橋面系在全橋范圍內(nèi)均為半漂浮,整個(gè)結(jié)構(gòu)受力體系最為明確;盧浦大橋、新光大橋兩橋的受力體系有些類似,都是剛構(gòu)、拱橋的組合體系,其中盧浦大橋的三角剛架斜腿和系梁均為鋼結(jié)構(gòu)而新光大橋則為混凝土結(jié)構(gòu),所以新光大橋的三角剛架抗推剛度要遠(yuǎn)大于盧浦大橋,相應(yīng)的主跨鋼拱肋的計(jì)算跨度也減小了。

通過(guò)對(duì)以上 3座近年來(lái)建設(shè)的大跨度 3跨中承式自錨式柔性系桿拱橋的介紹,初步了解了此類型橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 確定結(jié)構(gòu)受力體系

此類型橋梁關(guān)鍵是結(jié)合邊拱的跨度需要而確定不同的結(jié)構(gòu)受力體系。

當(dāng)邊跨跨度較小時(shí),可設(shè)計(jì)成為類似丫髻沙大橋、盧浦大橋的“飛燕式”結(jié)構(gòu)體系。邊拱拱肋為上承式,并在兩側(cè)邊拱橋面位置的拱肋端部設(shè)置對(duì)拉水平系桿,系桿的水平拉力通過(guò)邊拱拱肋傳至拱座處來(lái)平衡主拱拱肋產(chǎn)生的水平力,形成自平衡體系。

當(dāng)邊跨由于橋下通行凈空的需要跨度較大時(shí),可設(shè)計(jì)成新光大橋的“3跨連續(xù)剛構(gòu)拱橋”結(jié)構(gòu)體系。此種結(jié)構(gòu)體系的三角剛構(gòu)的剛度要足夠大,以保證將上部拱肋和橋面系結(jié)構(gòu)的豎向荷載傳至拱座基礎(chǔ)上。通過(guò)對(duì)新光大橋進(jìn)行計(jì)算分析,當(dāng)主拱的系桿錨固在三角剛構(gòu)邊拱側(cè)斜腿頂面時(shí),三角剛構(gòu)系梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)可達(dá)到 90%,系桿水平力的傳力途徑為沿三角剛構(gòu)的水平系梁至主拱鋼拱肋,而不會(huì)沿斜腿傳至拱座處,所以主拱系桿錨固在主拱鋼拱肋橋面位置處同錨固在三角剛構(gòu)邊跨側(cè)斜腿端部的傳力效果是一樣的,從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 系桿體系的選取

系桿是自錨式拱橋的生命線,其安全性能決定了大橋的安全。目前柔性系桿的材料主要有平行鋼絲束和平行鋼絞線兩種,其中平行鋼絞線還根據(jù)張拉墩位和索長(zhǎng)的大小分工廠整束擠壓索和索體整束、現(xiàn)場(chǎng)錨固的兩種類型。

平行鋼絲束拉索體系和整束擠壓的鋼絞線索體由于完全是工廠化加工,只要在施工過(guò)程中注意保護(hù)索體不受損壞,其耐久性有保證。由于系桿在出廠時(shí)其長(zhǎng)度已經(jīng)固定,而靠錨頭所能調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度范圍有限,故一定要準(zhǔn)確計(jì)算其理論長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)量。另外由于系桿錨頭的尺寸較索體大很多,故施工中拖拉系桿的施工難度比較大。其中平行鋼絞線系桿在外層護(hù)套內(nèi)的每根鋼絞線外側(cè)還有一道防護(hù)套,所以理論上要比鋼絲束的索體耐久性更好。

當(dāng)單根系桿的長(zhǎng)度和張拉墩位較大時(shí),一般采用索體工廠整體加工,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉錨固的鋼絞線拉索體系,拖拉系桿時(shí)沒(méi)有錨頭的干擾,施工難度也比較小。但是由于在系桿張拉前要?jiǎng)兊羯烊脲^固套筒內(nèi)鋼絞線的 PE保護(hù)層,故其伸長(zhǎng)量的計(jì)算要準(zhǔn)確無(wú)誤。另外其錨固體系要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工形成,其結(jié)構(gòu)的耐久性能還取決于現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。

3.3 橋面系的結(jié)構(gòu)形式

由于主跨結(jié)構(gòu)自重決定了需平衡的水平力的大小,故為了能夠增加跨度和減小基礎(chǔ)規(guī)模,主跨的橋面結(jié)構(gòu)形式一般設(shè)計(jì)為鋼—混組合體系或鋼結(jié)構(gòu)。鋼—混組合體系一般主要是指目前采用較多的鋼橫、縱梁加混凝土橋面板的結(jié)構(gòu)形式,這種橋面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是橋面系的桿件都較小,可分成鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板分別吊裝,并可多個(gè)工作面同時(shí)作業(yè),施工難度較小,最大吊裝質(zhì)量 30 t(鋼橫梁)。由于采用了結(jié)合梁的受力體系,其自重比混凝土橋面系降低很多。另外由于鋼橫、縱梁連接可大量采用栓接,施工速度比較快。缺點(diǎn)是由于要現(xiàn)場(chǎng)澆筑橋面板在鋼橫、縱梁處的濕接縫,其施工質(zhì)量直接影響橋面系的結(jié)構(gòu)耐久性和使用安全。

鋼結(jié)構(gòu)橋面可考慮整體鋼箱或橫、縱格子梁體系,橋面板為正交異性板。如果采用整體鋼箱,安裝時(shí)吊裝質(zhì)量要重些,如采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)則可以將橋面結(jié)構(gòu)橫、縱向分塊,吊裝后連接。目前橋面系鋼結(jié)構(gòu)的工地連接大多采用工地焊接,施工精度比較容易滿足,另外注意橋面板處的節(jié)段間連接如采用高強(qiáng)度螺栓連接也會(huì)影響后期鋪裝層的施工,所以一般盡量避免此部位采用栓接。

3.4 拱肋的結(jié)構(gòu)形式

丫髻沙大橋的拱肋為 6管式鋼管混凝土,目前大多數(shù)的此類型橋梁采用是 4管式鋼管混凝土。采用鋼管混凝土拱肋的此種柔性系桿拱橋已經(jīng)很難在跨度上有大的突破了,這主要是因?yàn)椴捎娩摴芑炷两Y(jié)構(gòu)拱肋的自重同比鋼結(jié)構(gòu)要大很多,相應(yīng)的由恒載產(chǎn)生的拱座的水平反力會(huì)增大,為此要張拉更多的橋面水平系桿來(lái)平衡基礎(chǔ)的不平衡反力;另外,在灌注鋼管內(nèi)混凝土?xí)r,由于此時(shí)拱肋的受力模型為鋼管桁架體系,而灌注的混凝土為荷載,當(dāng)跨度較大時(shí),拱肋結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定會(huì)成為控制關(guān)鍵點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu)拱肋又有鋼桁結(jié)構(gòu)和整體鋼箱結(jié)構(gòu)兩種,兩者各有優(yōu)缺點(diǎn),鋼桁結(jié)構(gòu)可以節(jié)省部分鋼材,特別是當(dāng)活載所占全橋荷載比例較大時(shí),可以充分發(fā)揮桁架結(jié)構(gòu)抗彎性能好的優(yōu)點(diǎn)。桁架拱由于桿件節(jié)段質(zhì)量小,吊裝容易,相應(yīng)方便了現(xiàn)場(chǎng)的安裝,但是其節(jié)點(diǎn)較多,連接和加工復(fù)雜,精度控制要求較高。鋼箱結(jié)構(gòu)節(jié)段質(zhì)量大,安裝難度也大,對(duì)安裝設(shè)備要求高,但是安裝精度要求比桁架低,工地施工時(shí)目前多采用全截面焊接。由于受力需要,整體鋼箱結(jié)構(gòu)的拱肋寬度較大,浪費(fèi)了較多的橋面空間,這也是設(shè)計(jì)中不得不考慮的細(xì)節(jié)。

表1為上述 3座大橋恒載對(duì)比表,從中可以發(fā)現(xiàn)由于拱肋和橋面系采用了不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)恒載的影響。

表1 主跨拱肋和橋面系(不包括二期恒載)質(zhì)量t/m

4 應(yīng)用前景

3跨連續(xù)中承自錨式柔性系桿拱橋由于可以有效的平衡上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的水平推力而在近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。在“飛燕式”拱橋的基礎(chǔ)上又演變出新光大橋這種“3跨連續(xù)剛構(gòu)拱橋”,通過(guò)三角剛構(gòu)與系桿拱橋的組合可以有效地提高了全橋的整體剛度。目前此種類型的拱橋還是主要應(yīng)用在公路和市政橋梁上。

由于鐵路橋梁對(duì)橋面結(jié)構(gòu)的剛度要求很高,所以這種半漂浮式橋面結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足鐵路橋梁的剛度要求。解決這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)在施工階段張拉柔性系桿來(lái)平衡恒載對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的不平衡水平推力,在成橋狀態(tài)可將橋面系與拱肋固結(jié),從而形成施工階段為柔性系桿而成橋狀態(tài)為剛性系桿的受力模式,通過(guò)這樣體系的轉(zhuǎn)換來(lái)滿足鐵路橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的要求(圖6)。

由于鐵路橋梁的橋面寬度較小,通過(guò)橋面系和主墩基礎(chǔ)的剛度比值可釋放掉部分橋面系由于溫度產(chǎn)生的水平推力,而活載產(chǎn)生的水平力則由橋面系和基礎(chǔ)共同分擔(dān)。所以經(jīng)過(guò)一些構(gòu)造上的調(diào)整,此類型橋梁在鐵路上也同樣有應(yīng)用前景。筆者曾結(jié)合實(shí)際工程對(duì)此種拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果表明此種結(jié)構(gòu)完全能夠滿足鐵路橋梁的動(dòng)、靜力荷載受力需要。

圖6 剛性、柔性系桿結(jié)合的 3跨連續(xù)中承式拱橋(單位:m)

5 結(jié)語(yǔ)

3跨連續(xù)中承自錨式柔性系桿拱橋有效地解決了基礎(chǔ)不平衡水平推力問(wèn)題,故應(yīng)用范圍非常廣泛,使拱橋這一古老的橋型煥發(fā)了新的生機(jī)。在此橋型的基礎(chǔ)上還可以根據(jù)具體條件而進(jìn)行多種改變,如剛架拱橋的組合體系、先柔性后剛性系桿拱橋等,以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)需要。

[1] 林元培,章曾煥,馬 骉,等.上海市黃埔江盧浦大橋設(shè)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,(1):70- 77.

[2] 徐升橋.丫髻沙大橋主橋設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2001,(6):2- 7.

[3] 徐升橋,任為東,劉春彥.新光大橋的設(shè)計(jì)與施工[J].鐵道勘察,2007,33:63- 71.