大跨度剛架連拱橋設(shè)計與施工

劉志才，唐穎

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

大跨度剛架連拱橋設(shè)計與施工

劉志才，唐穎

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

介紹了某7×66m大跨度剛架連拱橋的設(shè)計及施工情況。對結(jié)構(gòu)材料進行了比選，計算表明，與混凝土拱相比，鋼結(jié)構(gòu)箱形截面剛架拱橋的拱腳水平推力小一半，且能確保工期；下部結(jié)構(gòu)采用群樁基礎(chǔ)，每2～3跨設(shè)置了止推墩，計算分析中考慮了群樁基礎(chǔ)的柔度；上部結(jié)構(gòu)采用全焊鋼箱梁結(jié)構(gòu)，有限支架法施工。

剛架拱；連拱；鋼箱截面；群樁基礎(chǔ)柔度；止推墩

1　工程概述

某跨河橋主體結(jié)構(gòu)為7×66m中承式拱橋，行車道+非機動車道共寬15.0m，單側(cè)人行道寬3.75m，主拱圈為鋼筋混凝土箱形拱肋結(jié)構(gòu)，橋面系為橫梁為主的鋼筋混凝土縱橫梁體系。該橋于1992年建成，原設(shè)計荷載標準偏低、橋?qū)捿^窄，為了緩解日益增長的過河交通壓力，提高道路通行能力，需要對其進行拓寬改造（見圖1）。改造工程包括兩部分：將舊橋面系提升改造為鋼結(jié)構(gòu)梁格+混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)橋面系，并更換吊索，原橋面僅供汽車通行，雙向4車道；在既有橋梁的兩側(cè)則新建供非機動車和行人通行的加寬橋。

圖1　加寬改造前橋梁實景

兩側(cè)新建加寬橋均為鋼結(jié)構(gòu)箱形截面剛架連拱橋，橋跨布置與既有橋一致，均為7×66m。跨中梁高1.2m，與改造后的既有橋橋面系高度基本一致，橋面標高也與既有橋協(xié)調(diào)。新老橋橋面系以下線條重疊明顯，視覺清晰，相互映襯，主次分明，突出原橋主拱，美學效果突出（見圖2）。

2　加寬橋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算

加寬橋單幅橋?qū)?.02m，為7×66m大跨剛架連拱橋；主梁、主拱腿及次梁均采用鋼結(jié)構(gòu)薄壁箱形斷面，單箱三室，主梁及次梁的懸臂均為1.7m，為了受力明確，并減少溫度應力［1］，相鄰兩跨橋的次梁在墩柱位置斷開，并設(shè)置伸縮縫；拱軸線由二次拋物線+兩段圓弧線構(gòu)成，跨度為62.1m，矢高僅為6.4m，矢跨比較小，為1/9.7，屬于典型的坦拱；墩柱形式與既有橋一致，均為薄壁矩形片墩，厚度0.8m，圓端形拱座；一般中墩基礎(chǔ)采用3×3鉆孔灌注樁，2#墩和5#墩設(shè)計為恒載單向推力墩，基礎(chǔ)加強，布置為5×3鉆孔灌注樁，橋臺臺身為箱形，基礎(chǔ)采用了17根Φ1.2m的鉆孔灌注樁，順橋向共布置了7排，每排2～3根樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用7cm厚瀝青混凝土鋪裝，兩側(cè)布置人行護欄。主要材料：主梁、主拱腿及次梁采用Q345qD鋼板；墩臺樁基礎(chǔ)采用C35水下混凝土；橋墩、橋臺承臺采用C35混凝土；墩身、橋臺箱體、拱座混凝土采用C40混凝土。圖3為加寬橋結(jié)構(gòu)總體布置圖。

圖2　加寬改造后橋梁夜景

全橋結(jié)構(gòu)采用MIDAS CIVIL軟件進行計算，橋梁博士軟件復核。主拱腿與拱座的連接、主拱腿及次梁與主梁的連接均采用彈性連接的剛性；上弦桿與混凝土墩柱的連接采用主從約束的模擬；群樁基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的彈性支撐作用采用6×6的空間出口剛度矩陣模擬。非機動車道及人群荷載按專用人行橋梁考慮，取值為3.5 kN/m2；墩臺不均勻沉降取值為1cm；主拱圈合龍溫度取為15℃，均勻溫度作用考慮為整體升溫25℃，整體降溫30℃；該橋鋪裝為7cm瀝青混凝土，梯度溫度作用取值為主梁及次梁鋼箱梁頂板升溫15.2℃。圖4為結(jié)構(gòu)計算模型（中跨）。

圖3　加寬橋結(jié)構(gòu)總體布置圖（單位：m）

圖4　結(jié)構(gòu)計算模型（中跨）

3　主要特點及關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1上部結(jié)構(gòu)材料選擇

該橋初步設(shè)計為7×66m的鋼筋混凝土箱形截面剛架拱橋，主梁、主拱腿及次梁均采用單箱雙室截面，C50混凝土。施工圖階段將上部結(jié)構(gòu)主材料調(diào)整為Q345qD鋼材，主要原因如下：（1）根據(jù)勘探揭露地層情況，場地土在勘探深度范圍內(nèi)主要由第四系全新統(tǒng)晚期至中更新統(tǒng)沉積的砂類土與亞黏土等構(gòu)成，亞黏土的液性指數(shù)IL較大，均值為0.65，土體抵抗基礎(chǔ)水平力的能力有限；根據(jù)測算，在彈性范圍內(nèi)，一根直徑1.2m的樁約能抵抗水平荷載600～700 kN；若采用混凝土剛架拱，橋臺水平推力較大，標準組合下達到了1 5047 kN（見表1），約為鋼結(jié)構(gòu)剛架拱的1倍，需要龐大的抗推力基礎(chǔ)，常用的有群樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等，基礎(chǔ)造價較高。（2）該橋為既有主干路上的跨河橋改造工程，改造需要斷交施工，工期緊張，包括景觀裝飾在內(nèi)僅一年，采用混凝土剛架拱難以保證工期。

表1　采用不同材料時橋臺水平推力對比

3.2群樁基礎(chǔ)的模擬

群樁基礎(chǔ)作為下部結(jié)構(gòu)中與土相接觸的最主要部位，分析較為復雜，初步估算中常將承臺底作為固結(jié)支撐處理。事實上群樁基礎(chǔ)具有一定的柔度，其對整個結(jié)構(gòu)支撐剛度的大小有必要精確分析［2］。本文計算中，采用橋梁博士軟件的基礎(chǔ)設(shè)計功能求得群樁基礎(chǔ)出口剛度矩陣，將其輸入MIDAS CIVIL軟件邊界條件的一般彈性支撐矩陣中，即可較好地模擬群樁基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的支撐作用。地基土比例系數(shù)m取值，一般墩處取為10 000 kN/m4，橋臺及恒載單向推力墩處地基采用直徑0.6m的旋噴樁加固，取為15 000 kN/m4。樁的計算寬度b1及變形系數(shù)a按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63-2007）附錄P計算。從表2可以看出，對于該橋，若不考慮群樁基礎(chǔ)的柔度，橋臺水平推力約增大6%。

表2　群樁基礎(chǔ)柔度對橋臺水平推力對比

3.3鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝

主梁、主拱腿及次梁均采用全焊鋼結(jié)構(gòu)，單跨上部結(jié)構(gòu)沿順橋向劃分為11個節(jié)段，詳見圖5，最重節(jié)段為S4段，重量約為510 kN。S1、S2、S7及S8節(jié)段采用倒裝法組裝（即頂板在下底板在上），以充分利用焊接收縮過程使得兩端預拱度達到預期效果；S3#～S6#節(jié)段采用正裝法組裝，按梁段拱度做胎架，在胎架上組焊各部分。

圖5　剛架拱節(jié)段劃分

圖6梁段安裝

的基本原則，從每跨的跨中向拱腳逐步落架。圖6為梁段安裝。

4　結(jié)語

該加寬橋采用鋼結(jié)構(gòu)剛架連拱橋，其上部結(jié)構(gòu)造價比同跨徑混凝土剛架拱橋要高一倍，但其水平推力較小，僅為混凝土橋的一半，基礎(chǔ)造價明顯比混凝土橋低；總體來看，其綜合造價并不高，且能確保工期，是一個合理的選擇。該橋已通車運營，中間的中承式拱與兩側(cè)的上承式剛架拱相得益彰，景觀效果良好。

［1］ 婁廷會.多跨連拱景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.公路工程，2011，36（4）：106-108.

［2］ 周青，戴捷，倪寶偉，等.大跨徑多孔拱橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)［J］. 現(xiàn)代交通技術(shù)，2012，9（5）：26-29.

U448.22

B

1009-7716（2015）01-0059-02

2014-10-22

劉志才（1982-），男，湖南常德人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。