湖州市舊館大橋設(shè)計與施工實踐

宗振希 楊勝

摘要：湖州市舊館大橋是湖州市舊館鎮(zhèn)跨越長湖申航道上的一座大橋。主橋采用主跨為85m下承式預(yù)應(yīng)力砼系桿拱橋，本文主要介紹主橋拱肋、系桿、吊桿、橫梁、橋面系等構(gòu)造設(shè)計技術(shù)特點以及施工要點。

關(guān)鍵詞：下承式；系桿；拱肋；橋梁設(shè)計；橋梁施工

1工程概況

湖州市舊館大橋位于湖州市舊館鎮(zhèn)，為舊館鎮(zhèn)跨越長湖申航道的主要橋梁之一。橋梁南側(cè)接距長湖申航道約300m處的環(huán)形交叉口，北跨越長湖申航道后，設(shè)置A、B匝道上下國道G318。本橋主線橋孔跨布置為：5×20（空心板）+86.26（下承式系桿拱）+15+2*16+15m（鋼筋砼現(xiàn)澆箱梁），A匝道孔跨布置為5×16（鋼筋砼現(xiàn)澆箱梁），B匝道孔跨布置均為3×16（鋼筋砼現(xiàn)澆箱梁），本文主要介紹主跨的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及施工要點。

2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1、道路等級: 公路兼城市道路功能；

2、橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-I級；

3、設(shè)計車速：20km/h；

4、地震動峰值加速度0.05g，對應(yīng)地震基本烈度Ⅵ度；

5、通航標(biāo)準(zhǔn)：III級航道，通航凈寬60.0m，通航凈高7.0m；

6、主橋?qū)?8.0m，橫向布置為1.5m人行道＋15.0m行車道＋1.5m人行道；

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

舊館大橋采用計算跨徑為85m的下承式預(yù)應(yīng)力砼系桿拱，拱軸線采用2次拋物線，計算矢高f=17m，矢跨比為1/5，見圖1。拱肋為“I”字型鋼筋砼截面，橫橋向布置2片，中距為19.5m，拱上共設(shè)15對吊桿，吊桿間距5.3m，人行道布置于拱肋內(nèi)側(cè)。橋面系由系梁、橫梁及預(yù)制橋面板組成，系梁為箱形截面，全橋共設(shè)置15道中橫梁和兩道端橫梁，中橫梁為T型截面，端橫梁為箱形截面，系桿、中橫梁、端橫梁采用固結(jié)組成平面框架。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造如下：

3.1、拱肋及風(fēng)撐

主橋共設(shè)兩榀拱肋，拱肋采用等截面“I”字型鋼筋混凝土截面，拱肋高1.8m，寬1.5m，腹板寬1.0m，在吊桿處及拱梁交接的端部采用實心截面。

兩片拱肋橫向間距為19.5m，為保證兩拱肋的橫向穩(wěn)定，兩拱肋間共設(shè)5道一字形風(fēng)撐，其截面為高0.9m，寬0.5m，腹板厚0.25m的“I”字型鋼筋混凝土截面。

3.2、吊桿

每片拱肋共設(shè)15根廠制吊桿，吊桿間距為5.3m。吊桿采用73絲φ7高強鋼絲（其中邊吊桿采用含球面支座的OVMLZM(K)7-73吊桿），外包雙層高密度聚乙烯（PE）護套，配套錨具采用PES7-73冷鑄鐓頭錨，吊桿標(biāo)準(zhǔn)強度為1670MPa，吊桿張拉采用單端張拉，張拉端設(shè)于拱肋頂部，固定端設(shè)于系梁底部。

3.3、系桿

系桿為箱形截面，截面高2.0m，寬1.5m，頂?shù)装寮案拱搴窬鶠?.3m，箱內(nèi)設(shè)橫隔板，橫隔板厚1.0m，共計13道。系桿兩端與端橫梁及拱肋交匯段為實體。吊桿穿過系桿橫隔板錨固于橫隔板的下緣。

系桿上下緣均設(shè)置4束13φs15.2和4束12φs15.2的鋼絞線，根據(jù)加載情況分批進行張拉。

3.4、端、中橫梁

在兩系桿間布置中橫梁15道，中橫梁采用預(yù)制后現(xiàn)澆接縫的方式與系梁連接。中橫梁為T形截面，中橫梁高度為1.6m-1.785m，腹板寬0.55m，通過橫梁高度形成橋面橫坡，梁頂牛腿寬0.95m，車行道板直接擱置于橫梁的牛腿上。每個中橫梁內(nèi)布設(shè)7束7φs15.2鋼絞線。

在系桿與拱肋交匯處布置端橫梁，端橫梁

采用箱形截面，梁高為2.30m-2.48m，壁厚為0.4m，端橫梁與拱座及系梁混凝土同時澆筑。端橫梁每個腹板內(nèi)布設(shè)5束7φs15.2鋼絞線。

橫梁均采用兩端張拉，張拉端設(shè)在系桿的外側(cè)。

3.5、橋面板

橋面板采用鋼筋混凝土預(yù)制板，預(yù)制橋面板采用矩形截面，板寬0.99m，板高0.25m，橋面板間采用鉸縫連接。橋面板的跨徑為5.3m，與吊桿間距一致。

4計算分析

4.1、計算模型及設(shè)計荷載

本橋采用通用有限元軟件midas/civil 2010建立計算模型，對施工及成橋階段進行靜力模擬計算。計算模型中（見圖2），拱肋、系梁、橫梁、橫撐部分均采用空間粱單元，吊桿按桁架單元模擬，為了簡化計算，橋面板按二期荷載考慮。主橋上部結(jié)構(gòu)離散為451個節(jié)點，565個單元，計算模型如下圖2。

舊館大橋上部結(jié)構(gòu)計算主要考慮了以下荷載：

1、結(jié)構(gòu)自重：結(jié)構(gòu)自重采用MIDAS軟件計算，混凝土容重取26kN/m3。

2、二期恒載：橋面鋪裝采用8cm混凝土鋪裝+10cm瀝青混凝土鋪裝，其中混凝土鋪裝容重取26kN/m3，瀝青鋪裝容重取24 kN/m3；橋面板荷載、人行道板荷載、欄桿荷載等簡化作用于橫梁上，其值見表1。

表1 二期恒載表

二期恒載分類 作用于中橫梁荷載值 作用于端橫梁荷載值

橋面混凝土鋪裝 11.0 kN/m 4.5 kN/m

橋面瀝青鋪裝 10.6 kN/m 4.4 kN/m

橋面板 34.5 kN/m 14.2 kN/m

人行道板及欄桿 56.7 kN 23.4 kN

3、汽車荷載：公路-I級，4車道加載，同時考慮汽車沖擊及偏載的影響。

4、人群荷載：人群荷載根據(jù)《通規(guī)》，取3.2kN/m2。

5、溫度荷載：系統(tǒng)升溫20℃,系統(tǒng)降溫-21℃；系梁非均勻溫度采用頂板升、降溫5℃考慮。

6、風(fēng)載計算：

本工程所在位置百年一遇基本風(fēng)速為28.6m/s，橋位所在地區(qū)地表狀況按開闊水面考慮，地表類別按A類取用。根據(jù)《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTGTD60-01-2004），可計算出：拱肋從拱底到拱頂橫風(fēng)荷載為2.54kN/m,系梁的橫風(fēng)荷載為2.25kN/m。

4.2、靜力及穩(wěn)定計算結(jié)果

經(jīng)計算，各預(yù)應(yīng)力桿件在短期組合下的拉應(yīng)力和標(biāo)準(zhǔn)組合下的壓應(yīng)力分別見下表2和表3。

表2 短期組合下各桿件的拉應(yīng)力結(jié)果

桿件 上緣最大拉應(yīng)力（MPa） 下緣最大拉應(yīng)力（MPa）

主拱 -3.7 -0.98

系桿 1.44 0.15

中橫梁 1.20 0.21

端橫梁 -0.46 -2.02

在短期組合下，主拱和端橫梁為全截面受壓；系桿端部局部有拉應(yīng)力，最大為1.44Mpa，滿足規(guī)范要求。

表3 標(biāo)準(zhǔn)組合下各桿件的壓應(yīng)力結(jié)果

桿件 最大壓應(yīng)力（MPa） 位置

主拱 -14.26 拱角

系桿 -17.69 近拱角空心部分

中橫梁 -12.89 近支點

端橫梁 -11.11 近支點

在標(biāo)準(zhǔn)組合下，壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

本橋考慮以下5種荷載工況對本橋進行一類穩(wěn)定分析：①、自重（包括二期恒載）；②、預(yù)應(yīng)力鋼束荷載；③、吊桿張拉力；④、汽車荷載（滿布車道荷載考慮）；⑤、成橋風(fēng)荷載，表4列出了成橋狀態(tài)下該橋在各荷載工況下的穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)構(gòu)的1階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋的面外失穩(wěn)。

表4 成橋狀態(tài)特征值計算結(jié)果表

組合 穩(wěn)定系數(shù)λ 失穩(wěn)模態(tài)

組合一：① 5.22 面外失穩(wěn)

二：①+② 5.17 面外失穩(wěn)

三：①+②+③ 5.14 面外失穩(wěn)

四：①+②+③+④+⑤ 4.61 面外失穩(wěn)

結(jié)果表明，在成橋運營階段，全橋穩(wěn)定性較好，能滿足設(shè)計使用要求。

5施工方法

由于長湖申航道通航密度高，過往船只噸位大，為盡量減少主橋建設(shè)過程中對航道通航的影響，并保證安全，跨航道部分的主橋采用少支架預(yù)制安裝的施工工藝，見下圖3。主橋施工工序為：岸上預(yù)制拱肋、系梁、中橫梁、風(fēng)撐、行車道板等→搭通支架（設(shè)置防撞墩）→安裝支座、現(xiàn)澆拱角段及端橫梁→吊裝系梁及橫梁并現(xiàn)澆接頭→張拉系梁第一批預(yù)應(yīng)力及部分端橫梁和中橫梁預(yù)應(yīng)力→搭設(shè)拱肋支架、吊裝拱肋及風(fēng)撐預(yù)制段→現(xiàn)澆拱肋及風(fēng)撐濕接頭→拆除拱肋支架、安裝吊桿→張拉吊桿至初拉力→安裝行車道板→張拉系梁第二批預(yù)應(yīng)力及中橫梁、端橫梁剩余預(yù)應(yīng)力→第二次張拉吊桿→現(xiàn)澆行車道板濕接頭→澆注人行道基座、護欄、人行道板→澆注橋面鋪裝→張拉系桿第三批預(yù)應(yīng)力→第三次張拉吊桿并封錨→拆除支架。

6 成橋吊桿力檢測結(jié)果

成橋后，由檢測單位對本橋吊桿力進行了檢測工作，最終檢測索力如下表，檢測結(jié)果表明：舊館大橋?qū)崪y吊桿力上、下游分布均衡；實測值與設(shè)計值的誤差介于-7.5%~6.4%之間，滿足《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTGF80 1/2004)的要求。

7結(jié)語：

（1）通過空間建模分析，由于系梁與橫梁固結(jié)，張拉橫梁預(yù)應(yīng)力對系梁和橫梁的內(nèi)力及應(yīng)力產(chǎn)生疊加影響，同樣，橫梁通過系梁固結(jié)，橫梁梁端的邊界條件介于固結(jié)與簡支之間，因此，采用平面桿系不能真實反映結(jié)構(gòu)受力情況。

（2）系梁的高度主要由橫梁高度控制，若將本橋人行道置于拱肋外側(cè)，則橫梁凈跨減少3m，橫梁及系梁高度亦有所減少，但由于本橋人行道較窄，采用該方式布置會使主、引橋人行道銜接就不連貫。因此，對于人行道較寬的該類橋梁，可將人行道置于拱肋外側(cè)。

（3）成橋后，由檢測單位對本橋成橋吊桿力進行了測試，第一次測試完成后，施工單位根據(jù)測試結(jié)果進行了吊桿力重張拉調(diào)整，通過張拉調(diào)整后，本橋?qū)崪y值與設(shè)計值的誤差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且橋面線形較好。因此，在以后比較重要的吊桿拱橋施工中，在吊桿力張拉完畢后，有必要對吊桿索力進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，確定是否張拉調(diào)整。

參考文獻

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。