梁拱組合式跨線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

潘 龍 ，涂 雪 ，溫 政 ，許 筠

（1.上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司，上海市200092；2.鄂爾多斯市中交交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

1 工程概況

蘇楊公路一號(hào)橋位于鄂爾多斯市東勝區(qū)鐵西三期與大興園區(qū)結(jié)合部，為上跨包茂高速公路的跨線橋。橋位距鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)僅10 km，是機(jī)場(chǎng)通往市區(qū)的必經(jīng)之路。橋梁跨徑組合為35 m+90 m+35 m，全長(zhǎng)160 m。橋型采用“彩虹型”三跨連續(xù)鋼混疊合式梁拱組合橋（見圖1），主梁采用鋼梁格-混凝土橋面板疊合梁結(jié)構(gòu)型式，拱肋立面線形為魚背曲線，由鋼箱結(jié)構(gòu)的上、下肢拱及“工字形”連接豎桿組成，上肢拱采用六邊形截面，下肢拱采用矩形截面。整幅橋全寬50 m，兩拱肋中心間距33 m，不設(shè)風(fēng)撐。

圖1 蘇楊公路一號(hào)橋橋型效果圖

該橋于2009年10月開工建設(shè)，2010年10月竣工通車。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

（2）荷載等級(jí)：提高至公路—Ⅰ級(jí)的1.3倍取用，人群和非機(jī)動(dòng)車荷載按規(guī)范取用。

（3）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（4）橋面寬度：橋梁橫斷面為雙向8車道，兩側(cè)各設(shè)4 m的非機(jī)動(dòng)車道和3 m的人行道，全寬50 m。

（5）溫度影響力：體系升溫30℃，體系降溫40℃。

（6）橋梁設(shè)計(jì)抗震烈度：地震基本烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度0.1 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，跨線橋抗震設(shè)防類別為B類，均須進(jìn)行E1地震作用和E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)。

（7）下穿道路凈高要求：包茂高速公路凈高不小于5.5 m。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 橋型布置

蘇楊公路一號(hào)橋與其上跨的包茂高速公路斜交11°，橋梁位于直線段。

橫斷面布置：3.0 m（人行道）+4.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（機(jī)非分隔帶、吊桿錨固區(qū)）+14.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m(防撞護(hù)欄）+14.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（機(jī)非分隔帶、吊桿錨固區(qū)）+4.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0 m（人行道）=50 m。

縱斷面設(shè)計(jì)：主跨中心樁號(hào)為K2+999.500，橋面設(shè)置R=3 500 m的豎曲線，從主跨中心向兩側(cè)分別設(shè)置3%和-3%的縱坡與地面道路銜接。

上部結(jié)構(gòu)橋型布置為“彩虹型”下承式梁拱組合橋（見圖2），主梁為三跨連續(xù)體系，全橋按整幅設(shè)置。系梁中設(shè)水平拉索，和鋼系梁一同平衡水平推力。兩片拱肋間不設(shè)風(fēng)撐，拱肋由結(jié)合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成。拱肋計(jì)算矢跨比為1/4.5，最高點(diǎn)距系梁頂面19.7 m，拱肋凈矢高17.45 m，上肢拱截面為六邊形，下肢拱截面為矩形，豎桿截面為工字型。

圖2 橋型立面布置圖(單位：mm)

3.2 主梁

主梁采用鋼-混凝土疊合梁，是由鋼梁格與混凝土橋面板形成的整體組合截面（見圖3）。鋼梁格由系梁、橫梁、中橫梁、端橫梁、挑梁、小縱梁組成。橋面板采用C50混凝土。

圖3 橋梁橫斷面布置圖（單位：mm）

系梁采用箱形截面，中跨標(biāo)準(zhǔn)段和邊跨標(biāo)準(zhǔn)段截面尺寸為2.0 m（寬）×2.7 m（高），其中頂板、底板、腹板均厚30 mm；中墩處拱梁結(jié)合處設(shè)長(zhǎng)9.0 m的過渡段，梁高由2.7 m漸變?yōu)?.0 m，頂板、底板、腹板加厚至40 mm。邊墩處拱梁結(jié)合段長(zhǎng)17.92 m，拱肋和系梁結(jié)合成整體，結(jié)合段梁高為漸變高度，斷面形式為矩形系梁與六邊形上肢拱肋組合成的不規(guī)則截面。根據(jù)主梁構(gòu)造不同，并結(jié)合斜交上跨包茂高速支架施工的需要，全橋系梁共分為邊墩處拱梁結(jié)合段、中墩處拱梁結(jié)合段、A型節(jié)段、B型節(jié)段、C型節(jié)段，共5種類型26個(gè)節(jié)段，節(jié)段長(zhǎng)度為9～18 m，節(jié)段吊裝重量約為30～106.5 t。

系梁中跨對(duì)應(yīng)吊點(diǎn)位置和邊跨對(duì)應(yīng)豎桿位置，設(shè)置橫梁，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距4 m，局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整。橫梁采用“工”字形截面，頂面設(shè)置1.5%橫坡，底面與系梁底面齊平，中心處梁高2.52 m。橫梁頂、底板厚20 mm，寬600 mm，腹板厚16 mm。在兩根系梁外側(cè)，設(shè)置“工”字形挑梁布置非機(jī)動(dòng)車道和人行道，挑梁與橫梁以及系梁橫隔板位置相對(duì)應(yīng)。挑梁根部高度為2.257 5 m，懸臂端高度為0.325 m。橫梁與系梁腹板焊接，系梁腹板受力較大且板厚較厚，因此設(shè)計(jì)采用Z向板，Z向性能級(jí)別為Z25。

中墩處下肢拱與系梁結(jié)合部設(shè)置中橫梁。中橫梁采用箱形截面，頂面設(shè)置1.5%橫坡，高度2.587 5～2.82 m，寬度2.72 m，其中頂板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m，設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm。

邊墩處上肢拱與系梁結(jié)合部設(shè)置端橫梁。端橫梁采用箱形截面，頂面設(shè)置1.5%橫坡，高度2.287 5～2.52 m，寬度1.905 m，其中頂板厚20 mm，底板厚36 mm，腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m，端橫梁設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm。

橫梁、中橫梁、端橫梁之間，沿縱橋向設(shè)置7道小縱梁。小縱梁采用“工”字形截面，梁高0.55 m，頂板厚16 mm，寬600 mm，底板厚16 mm，寬400 mm，腹板厚12 mm。在兩根系梁外側(cè)，單側(cè)各挑梁之間沿縱橋向設(shè)置兩道小縱梁。

與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合成一體的鋼筋混凝土橋面板除系梁外沿全橋?qū)挷贾?。橋面板分預(yù)制板和現(xiàn)澆縫部分，預(yù)制板厚0.26 m?，F(xiàn)澆接縫混凝土通過鋼梁頂面的抗剪栓釘、預(yù)制板的外伸鋼筋及接縫縱橫向鋼筋聯(lián)結(jié)成整體。為控制預(yù)制橋面板收縮，預(yù)制板應(yīng)提前制作，存放3個(gè)月以上，方便吊運(yùn)安裝。

疊合梁施工方法為鋼梁工廠制造現(xiàn)場(chǎng)拼裝，混凝土梁現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制吊裝后現(xiàn)澆濕接頭。鋼梁制造具體要求見鋼結(jié)構(gòu)制造加工技術(shù)要求。

光窗口底板設(shè)置在各挑梁之間，底板厚10 mm，底板開設(shè)橢圓形孔洞，板上設(shè)置縱橫加勁肋，光窗口底板與挑梁底板焊接連接，并在小縱梁位置通過豎向加勁板與小縱梁腹板焊接。光窗口底板在上部結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件安裝完畢、第一批吊桿張拉完畢后方可安裝。

3.3 拱肋

該橋兩片拱肋間不設(shè)風(fēng)撐，拱肋由結(jié)合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成（見圖4），為全鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345qE。

上肢拱拱軸線為樣條曲線、直線段、圓弧組成的光滑曲線，拱軸線最高點(diǎn)距系梁頂面18.75 m。下肢拱拱軸線為拋物線，計(jì)算跨徑90 m，拱軸線最高點(diǎn)距系梁頂面17.85 m。

位于跨中的上、下肢拱結(jié)合段截面高度由2.25 m漸變至4.096 m，斷面形式為矩形下肢拱與六邊形上拱肋組合成的不規(guī)則截面，頂、底板厚25 mm，腹板厚20 mm。結(jié)合段C局部加厚為頂、底、腹板均為36 mm。上肢拱拱肋截面為六邊形，截面高1.9 m，頂寬0.89 m，底寬1.86 m；上肢拱拱肋標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚25 mm，腹板厚20 mm；在中墩位置，上肢拱加厚至頂、底板30 mm，腹板25 mm。下肢拱拱肋截面為矩形，高0.8 m，寬1.86 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂、底、腹板厚均為36 mm。在下肢拱拱腳位置，加厚至頂、底、腹板厚均為40 mm，并且截面高度加大與系梁組成中墩節(jié)點(diǎn)。

圖4 橋梁拱肋橫斷面圖（單位：mm）

由于上肢拱肋剛度較大，吊桿上端穿過下肢拱和豎桿中圓管在上肢拱上錨固，拱肋橫隔板和橫向加勁肋均豎直布置，以適應(yīng)吊桿的錨固和豎桿布置。拱上單根吊桿由間距0.5 m的兩塊橫隔板、錨固節(jié)點(diǎn)墊板、鋼套管及其加勁板組成的錨固節(jié)點(diǎn)錨固。結(jié)合段橫向加勁板標(biāo)準(zhǔn)間距1.75 m，上肢拱橫向加勁板標(biāo)準(zhǔn)間距1.333 m，與豎桿位置對(duì)應(yīng)。橫隔板厚20 mm，其上開設(shè)人孔，橫向加勁板厚16 mm。

上下肢拱連接豎桿為“工”字型斷面，橫橋向?qū)?.2 m，順橋向?qū)?.3 m，腹板厚20 mm，頂、底板和加勁板均厚20 mm，有吊桿通過位置的豎桿中間設(shè)吊桿套管。

3.4 吊桿與水平索

全橋吊桿共21對(duì)，吊桿間距4.0 m，拱上為錨固端，梁上為張拉端。吊桿采用帶PE護(hù)套的PES5-121型平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa。每根吊桿錨具采用LZM5-121冷鑄墩頭錨及配套產(chǎn)品一套。

全橋系梁水平索共8根，每根系梁內(nèi)張拉4根。水平索采用熱擠乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索，每根為PESM7-139型平行鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa。采用兩端張拉錨固的形式，冷鑄錨錨固體系。

吊桿與水平索防腐方案采用：拉索錨具（包括連接筒）在安裝就位前后均需在外表面涂上專用防腐潤(rùn)滑脂。在橋梁使用過程中應(yīng)定期對(duì)錨具進(jìn)行復(fù)查、補(bǔ)涂，防止錨具銹蝕。

3.5 下部結(jié)構(gòu)

主橋主墩采用柱式墩，立柱由變高度系梁連接。立柱順橋向與橫橋向的外形尺寸分別為2.2 m和6.0 m，墩身四周設(shè)R=0.5 m的圓弧倒角。立柱系梁寬1 m，橫橋向高度由中部的1.2 m通過圓弧漸變到端部的2.17 m。主墩承臺(tái)為啞鈴型承臺(tái)，單個(gè)承臺(tái)順橋向與橫橋向的尺寸分別為6.5 m和10.5 m，承臺(tái)系梁寬2.5 m，承臺(tái)厚2.5 m。立柱和承臺(tái)混凝土采用C30。

橋臺(tái)為肋板式橋臺(tái)，臺(tái)身厚1.5 m，臺(tái)帽厚0.5 m，單幅橋設(shè)置4片0.4 m厚的肋板。橋臺(tái)承臺(tái)尺寸為50.4 m×4.3 m，厚2 m，中間設(shè)置2 cm沉降縫，臺(tái)后設(shè)擋土墻。

為滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力及沉降的要求，經(jīng)分析計(jì)算比較，每個(gè)主墩承臺(tái)下設(shè)置15根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)34 m，持力層為第5層微風(fēng)化粉砂巖；每幅橋臺(tái)承臺(tái)下設(shè)置5根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)29 m，持力層為第4層中風(fēng)化砂巖。樁基混凝土均采用C30混凝土。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝

為了保證鋼結(jié)構(gòu)不受侵蝕，延長(zhǎng)使用壽命，增加橋梁景觀效果，鋼主梁及鋼拱采用適合北方寒冷地區(qū)的重防腐涂裝體系。對(duì)環(huán)氧富鋅底漆+聚氨酯面、環(huán)氧富鋅底漆+氟碳面漆、電弧噴鋁復(fù)合涂裝體系三種涂裝方案進(jìn)行比選，綜合考慮防腐效果、施工工藝要求和施工效率、造價(jià)等因素后確定外表面采用環(huán)氧富鋅底漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆+丙烯酸聚氨酯面漆的涂裝方案，總厚度310μm。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工工序

先進(jìn)行墩、臺(tái)、基礎(chǔ)施工，同時(shí)工廠制作鋼拱、鋼梁、吊桿及系桿索，預(yù)制混凝土橋面板；在高速公路分隔帶及高速公路以外范圍搭設(shè)臨時(shí)支墩，臨時(shí)墩上各鋼梁梁段就位，焊接接縫；吊裝預(yù)制混凝土橋面板，澆筑混凝土橋面板濕接頭；在橋面系架設(shè)拱圈支架，上、下肢拱節(jié)與豎桿預(yù)拼焊接成整體節(jié)段，各拱段就位，調(diào)整拱段標(biāo)高，焊接各節(jié)段接縫；拆除拱肋支架，安裝吊桿，張拉吊桿力，安裝拱肋內(nèi)系桿索，并張拉系桿索；拆除主梁支架，橋面附屬設(shè)施施工，微調(diào)吊桿索力；進(jìn)行荷載試驗(yàn)，竣工通車。

4.2 臨時(shí)支架搭設(shè)方案

由于蘇楊公路一號(hào)橋跨越包茂高速公路，施工期間不能影響包茂高速公路交通，因此采用臨時(shí)墩少支架的施工方法。在各系梁接口處搭設(shè)臨時(shí)支墩。在高速公路隔離帶兩側(cè)搭設(shè)門式支架，門式支架頂面距高速路面不低于5.5 m（見圖5）。每組支架用4-φ400×8圓鋼管加角鋼支撐焊接成，臨時(shí)支墩基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)。

圖5 臨時(shí)支架橫斷面示意圖

4.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝方案

鋼梁安裝順序從一端向另一端依次安裝，每節(jié)段安裝順序?yàn)椋簝蓚?cè)系梁→橫梁及其間的縱梁→吊裝（車行道部分）橋面板→安裝兩側(cè)托架、小縱梁→吊裝（外側(cè)）橋面板。拱肋下方系梁兩側(cè)的托架、小縱梁及橋面板待拱肋安裝完成后進(jìn)行。

拱肋安裝在橋面鋼梁安裝完成后進(jìn)行，從兩端向中間對(duì)稱進(jìn)行吊裝就位，在支架上拼成節(jié)段整體后進(jìn)行焊接。合攏段吊裝前焊接所有環(huán)縫，最后完成合攏段的安裝。200 t和160 t汽車吊用于拱肋吊裝作業(yè)。備用50 t汽車吊1臺(tái)用于小件吊裝。

5 結(jié)語(yǔ)

蘇楊公路一號(hào)橋設(shè)計(jì)綜合考慮了景觀效果、地方文化特色、施工方式、施工工期等因素，橋型采用了適合高速公路施工的三跨連續(xù)鋼混疊合式梁拱組合橋，并對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新，使梁與拱在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮,呈現(xiàn)出優(yōu)良、穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與美觀的外形,充分做到力與美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一（見圖6）。本文對(duì)該橋的橋型布置、主梁、拱肋、吊桿及下部結(jié)構(gòu)等部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并介紹了施工方式及技術(shù)特點(diǎn)，為類似工程的建設(shè)提供了借鑒價(jià)值。

圖6 建成后的蘇楊公路一號(hào)橋