某拱形連續(xù)梁橋的總體設(shè)計(jì)

廖成強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

港里路橋位于莆田市媽祖城城區(qū)，靠近內(nèi)海，橋梁上跨城內(nèi)規(guī)劃內(nèi)湖，是外部進(jìn)入媽祖核心區(qū)和休閑度假區(qū)的交通要道，是媽祖城人文景觀片區(qū)的軸線工程和節(jié)點(diǎn)工程。橋梁方案有以下幾個(gè)控制點(diǎn):

①橋址鄰近海邊，地質(zhì)條件較差;

②橋跨布置有通航要求;

③需要盡量壓縮引道長(zhǎng)度，避免高填土;

④橋梁景觀要求高，需要形成當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑并與當(dāng)?shù)亍皨屪妗蔽幕行У厝诤稀?/p>

經(jīng)過(guò)多方案比選，港里路橋(跨城內(nèi)規(guī)劃內(nèi)湖)采用(26+48+52+48+26)m五跨預(yù)應(yīng)力混凝土拱形連續(xù)梁橋方案，全幅橋?qū)?0m，拱腳與規(guī)劃內(nèi)湖的常水位基本齊平。該方案宛如一群翱翔于海面上的海鷗，與內(nèi)湖融為一體，是構(gòu)筑物與自然的一種完美的結(jié)合，亦與新興媽祖城朝氣蓬勃的城市氣息相吻合，散發(fā)出激情與活力。

圖1 港里路橋效果

1 拱形連續(xù)梁橋特點(diǎn)

1.1 構(gòu)造形式

拱形連續(xù)梁，其本質(zhì)是屬于連續(xù)梁體系，它是借鑒拱橋的造型，通過(guò)將變截面連續(xù)梁的根部厚度進(jìn)行加高，再通過(guò)調(diào)整梁底線形，使梁底面形成一個(gè)拱形結(jié)構(gòu)，其受力特性與V形支撐連續(xù)梁一致，梁底面曲線可以是懸鏈線、拋物線，小跨結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)為圓曲線。拱形連續(xù)梁體同普通連續(xù)梁一樣，大都是按預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)。

拱形連續(xù)梁的矢跨比可根據(jù)構(gòu)造需要調(diào)整，但一般維持在1/6～1/10之間。

連續(xù)梁支點(diǎn)位置可以根據(jù)造型需要設(shè)計(jì)成實(shí)腹、空腹型式?？崭故接挚煞譃槿崭?、空腹立柱式等兩種，其中，空腹立柱式更具有拱橋的特征，造型稍差。根據(jù)是否設(shè)置支座，拱形連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)體系又可分為支撐體系和剛構(gòu)體系。常見(jiàn)的拱形連續(xù)梁構(gòu)造如圖1～圖4。

圖2 實(shí)腹式拱形連續(xù)梁

圖3 空腹式拱形連續(xù)梁

圖4 空腹立柱式拱形連續(xù)梁

1.2 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

實(shí)腹式拱形連續(xù)梁橋，本質(zhì)就是變截面連續(xù)梁橋。如果單純按梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，梁體不存在水平推(拉)力，但如果從細(xì)部分析，墩頂區(qū)域則有很大的水平拉力，其受力模型則與空腹式拱形連續(xù)梁橋一致。

空腹式拱形連續(xù)梁橋(在墩頂區(qū)域?yàn)榭崭?，由于該種構(gòu)造形式已經(jīng)具備拱橋的特征，橋梁在荷載作用下將產(chǎn)生較大水平推力或拉力，該部分水平推(拉)力除通過(guò)基礎(chǔ)分擔(dān)一部分外，大部分通過(guò)設(shè)置水平預(yù)應(yīng)力鋼束分擔(dān)，對(duì)地基的要求并不高，在軟基地區(qū)也能適用。鑒于空腹式的拱形連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)，可以將其稱為自錨上承式拱橋。

1.3 施工方法

拱形連續(xù)梁橋施工方法主要有滿堂支架、少支架、轉(zhuǎn)體施工、懸臂拼裝等施工方法，根據(jù)橋址建橋條件不同、結(jié)構(gòu)形式不同選用。

2 港里路橋總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

港里路橋經(jīng)過(guò)多個(gè)方案比選后采用造型美觀的(26+48+52+48+26)m五跨預(yù)應(yīng)力混凝土空腹式拱形連續(xù)梁橋，中跨52m，跨中矢高f=7.0米，矢跨比為1/7.4。橋墩墩身(拱座)為實(shí)心截面，基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ);橋臺(tái)采用樁帽式橋臺(tái)。

全橋橫向全寬30.0m，左右幅分修。

2.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 主梁(拱圈)構(gòu)造

空腹區(qū)的拱腳段與實(shí)腹區(qū)的主梁段可合稱為拱圈。實(shí)腹區(qū)橋面系拱圈宜采用箱形變截面，而空腹區(qū)的拱腳，由于景觀需要，盡量降低截面梁高以滿足全橋線形協(xié)調(diào)，同時(shí)為了滿足受力需要，所以該區(qū)域梁體采用實(shí)心截面。

中跨跨徑52m，空腹區(qū)長(zhǎng)2×9.5=19m，實(shí)腹區(qū)長(zhǎng)33m，空腹區(qū)拱腳梁高1.2m，實(shí)腹區(qū)跨中梁高1.1m，空腹區(qū)與實(shí)腹區(qū)交接處最大梁高3.7m，拱形曲線采用圓弧線(中跨圓曲線半徑40m，邊跨、次中跨根據(jù)跨徑變化相應(yīng)調(diào)整);跨中主梁橫斷面根據(jù)受力需要采用單箱三室截面，箱梁頂寬14.885m，底寬12.585m，兩側(cè)懸臂1.15m。

跨中主梁斷面如圖5。

圖5 箱梁跨中斷面

空腹段主梁(拱圈)按鋼筋混凝土設(shè)計(jì)，主梁截面寬12.585m，截面梁高由拱梁連接處的1.6m向拱腳1.2m截面按圓弧線變化，采用實(shí)體斷面。

橋面系主梁頂面均按1.5%橫坡設(shè)置，底面水平設(shè)置。

2.1.2 空腹區(qū)橋面系主梁構(gòu)造

國(guó)內(nèi)已建的類似橋梁，空腹區(qū)橋面系箱梁構(gòu)造一般都與實(shí)腹區(qū)主梁連成整體，該方案使得整個(gè)橋面系連成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，行車舒適性較好，但同時(shí)也有以下缺點(diǎn):在銜接點(diǎn)位置橋面系主梁剛度變化太大，且在其頂部容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。所以可以將空腹區(qū)橋面系主梁與實(shí)腹區(qū)主梁設(shè)置成分離狀態(tài)，即將空腹區(qū)橋面系主梁設(shè)置成簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)(圖6)。

空腹區(qū)簡(jiǎn)支箱梁與跨中箱梁保持一致，也采用單箱三室斷面形式，梁高1.1m，箱梁頂寬14.885m，底寬12.585m，懸臂1.15m。簡(jiǎn)支梁跨徑分別為12m(1、4號(hào)墩頂)和16m(2、3 號(hào)墩頂)。

圖6 空腹區(qū)局部構(gòu)造

2.1.3 預(yù)應(yīng)力體系

上部結(jié)構(gòu)主梁最大跨徑達(dá)到52m，全橋橋面系區(qū)域主梁均按A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)。橋梁地處人工湖，地質(zhì)條件較差，通過(guò)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力索來(lái)平衡拱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力，而不能全部依靠下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)。

箱內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力體內(nèi)鋼束設(shè)置了頂板束、底板束以及腹板束。體內(nèi)束和體外索索體均采用s15.2鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度=1 860MPa。體內(nèi)束采用塑料波紋管成孔，錨具采用相應(yīng)成品錨具。體外索索體采用環(huán)氧噴涂無(wú)粘結(jié)鋼絞線，外套HDPE套管，錨具為可調(diào)性錨具，并配置相應(yīng)的成品減震器、成品轉(zhuǎn)向器等(圖7)。

圖7 中跨跨中鋼束斷面

2.1.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如前所述，梁體與橋墩之間，可以通過(guò)支座連接，也可以采用固結(jié)體系。本橋由于有通航及浪濺、耐久性要求等原因，梁體與橋墩之間不宜采用支座而采用固結(jié)體系。

橋墩處拱座采用實(shí)體鋼筋混凝土拱座，拱座頂面寬70cm，底面寬310cm。拱座通過(guò)承臺(tái)下接16根1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

橋臺(tái)為樁帽式橋臺(tái)，樁基同橋墩采用1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 施工方法

對(duì)于本橋而言，施工方法和加載順序決定著成橋的受力狀態(tài)，研究確定出合理的施工方法是本橋設(shè)計(jì)的又一重點(diǎn)。

港里路橋由于其所跨越為規(guī)劃的人工湖，現(xiàn)階段有條件采用滿堂支架法施工主梁。但對(duì)于這種多次超靜定的剛構(gòu)體系拱形連續(xù)梁，不宜一次性整體現(xiàn)澆，而需要在其跨中設(shè)置一定長(zhǎng)度后澆合龍段，主要原因有以下二方面:

(1)通過(guò)設(shè)置后澆合龍段，以降低由于收縮徐變產(chǎn)生的二次內(nèi)力，有效地改善結(jié)構(gòu)受力;

(2)先澆段主梁澆筑完成后，形成懸臂體系，在合龍段澆筑之前，通過(guò)體外索或者其它措施對(duì)每個(gè)懸臂體系頂部施加一對(duì)體外預(yù)應(yīng)力，以減少單懸臂根部區(qū)域的負(fù)彎矩，大大改善結(jié)構(gòu)受力。

以上兩個(gè)原因中，后是主要的，對(duì)成橋內(nèi)力的影響也最明顯。國(guó)內(nèi)目前已建的類似橋梁，一般都是通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力改善懸臂梁的負(fù)彎矩，形成純自錨結(jié)構(gòu)，而本橋采用另外一種更為便捷的方法(對(duì)向頂推施工技術(shù))實(shí)現(xiàn)了該目標(biāo)。即在中跨、次中跨合龍段澆筑之前，在合龍段位置對(duì)兩側(cè)梁體施加一對(duì)相等的頂推力，同時(shí)僅在邊跨通過(guò)一對(duì)體外索來(lái)平衡次中跨靠邊跨側(cè)的頂推力，達(dá)到每個(gè)橋墩位置懸臂梁受力情況均能夠得到有效改善的目的。對(duì)向頂推施工不僅能夠節(jié)約大量預(yù)應(yīng)力鋼材，降低工程造價(jià)，施工控制也非常簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)明顯，在其它類似橋梁設(shè)計(jì)中值得推薦。

圖8 全橋主要施工步驟

本橋采用滿堂支架，分段澆筑，頂推施工，主要施工流程如下:

(1)下部結(jié)構(gòu)施工完后采用滿堂支梁現(xiàn)澆主梁梁體，預(yù)留中間2m左右后澆合龍段;再同時(shí)在中跨及次中跨合龍段位置施加一對(duì)合理頂推力(本橋?yàn)? 000kN)，同時(shí)張拉全橋通長(zhǎng)平衡體外索;

(2)選擇合理溫度澆筑后澆合龍段，張拉主梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束;

(3)支架現(xiàn)澆空腹區(qū)橋面系主梁，張拉相應(yīng)體力預(yù)應(yīng)力鋼束;

(4)調(diào)整全橋通長(zhǎng)體外索內(nèi)力，施工橋面系及附屬設(shè)施，全橋施工完畢。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)拱形連續(xù)梁橋相對(duì)于一般連續(xù)梁，拱形連續(xù)梁橋從橋梁景觀上更具優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于城市橋梁，拱形連續(xù)梁橋更適合區(qū)域標(biāo)志性建筑及城市文化的載體;但其缺點(diǎn)是造價(jià)較一般連續(xù)梁稍高。

(2)通過(guò)選擇先進(jìn)、優(yōu)越的技術(shù)手段及合理的施工方案，能夠改善拱形連續(xù)梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力情況，同時(shí)也能夠在一定程序上節(jié)約工程材料，降低工程造價(jià)。

(3)由于拱形連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)體系特性，特別是如本文所述的墩梁固接體系的拱形連續(xù)梁，拱腳區(qū)域結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土收縮徐變、溫度等效應(yīng)非常敏感，內(nèi)力幅較大，在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

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