猛洞河大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹赟干

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008)

猛洞河大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹赟干

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008)

猛洞河大橋是永吉高速公路上的一座特大型橋梁，主橋采用跨徑268 m上承式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。對大橋橋型方案構(gòu)思、主拱圈選型、矢跨比、拱上建筑和節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行說明，闡述了主拱圈和拱上建筑的構(gòu)造細(xì)節(jié)，為山區(qū)地形條件下的上承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)提供參考。

橋梁設(shè)計(jì); 拱橋; 方案構(gòu)思; 主拱圈

1 工程概況

永吉高速猛洞河大橋位于湖南省湘西州永順縣烈夕鄉(xiāng)下寨村、高坪鄉(xiāng)那丘村附近，跨越猛洞河峽谷。橋位區(qū)為溶蝕構(gòu)造形地貌中的低山溶蝕洼地峽谷，猛洞河流經(jīng)谷底。山谷兩側(cè)懸崖距離約200～380 m，大橋設(shè)計(jì)標(biāo)高與谷底高差約240 m。河谷兩岸陡峭，無河灘，兩岸山體植被茂盛。

大橋按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋?qū)?4.5 m，設(shè)計(jì)荷載為公路 — Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a；地震基本烈度6度，地震動(dòng)峰值加速度小于0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s；河流無通航要求。

2 總體構(gòu)思

2.1 橋型方案選擇

橋型方案的選擇受地形地質(zhì)條件的限制。猛洞河峽谷兩側(cè)為懸崖陡壁，橋位附近峽谷間距超過250 m，這一跨度多在拱橋、斜拉橋和懸索橋中進(jìn)行比選。從地形條件看，拱橋方案天然合適V型地形；如果地質(zhì)情況較好，能滿足大噸位橋塔的要求，斜拉橋方案也是不錯(cuò)的選擇。如果地質(zhì)復(fù)雜，處理后都難以滿足拱座或橋塔的地質(zhì)要求，那么一跨跨越峽谷的懸索橋也是可選擇的。

地勘表明橋位處地質(zhì)較好。上承式拱橋方案充分利用“V”形峽谷條件，受力合理，跨徑相對最小，造價(jià)較低。若采用斜拉橋方案，由于永順岸邊坡較陡，斜拉橋的邊跨已經(jīng)切入了路基，既不經(jīng)濟(jì)也不美觀。最終采用主跨268 m上承式拱橋方案。見圖1。

2.2 主拱圈結(jié)構(gòu)形式

我國目前已建成的山區(qū)拱橋中，200～300 m跨徑范圍的主拱圈結(jié)構(gòu)形式最為常見的有鋼筋混凝土箱型截面和鋼管混凝土桁架截面。橋梁設(shè)計(jì)中需從結(jié)構(gòu)特性、施工難度、安全風(fēng)險(xiǎn)、工期、造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比選。

從結(jié)構(gòu)性能來看，鋼筋混凝土拱橋剛度大，造價(jià)低，維修養(yǎng)護(hù)簡便，但其水平推力較大，對地基承載力要求較高。鋼管混凝土拱橋水平推力比同等跨徑混凝土拱橋減小40%以上，但缺點(diǎn)在于造價(jià)相對較高，且鋼管需要進(jìn)行防腐養(yǎng)護(hù)。

從施工來看，鋼筋混凝土拱橋的施工方法主要有支架現(xiàn)澆、纜索吊裝懸拼、斜拉扣掛懸臂現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體施工及勁性骨架外掛模板分環(huán)分段現(xiàn)澆施工等。轉(zhuǎn)體施工和支架現(xiàn)澆受地形條件限制，不適于本橋；懸拼或懸澆施工對纜吊及扣掛系統(tǒng)承載要求高，目前國內(nèi)采用懸拼或懸澆方法施工的混凝土拱橋最大跨徑?jīng)]有超過200 m，跨徑越大，施工設(shè)備投入和安全風(fēng)險(xiǎn)也越大；勁性骨架施工方法需先安裝合攏勁性骨架，再對混凝土主拱圈采用縱向分段、橫向分室澆注，拱圈截面存在齡期差異，截面受力整體性不足，且施工過程較復(fù)雜，施工控制難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)比較高。鋼管混凝土拱橋可用纜索吊裝自架設(shè)成拱，待鋼合龍后在弦管內(nèi)灌入微膨脹混凝土形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。與鋼筋混凝土拱橋相比，鋼管拱橋架設(shè)荷載更小，纜吊及扣掛系統(tǒng)要求更簡單，施工風(fēng)險(xiǎn)更低，且沒有了外包混凝土的工序，工期大為縮短，施工加載過程也更為簡便。

考慮到大跨徑鋼筋混凝土拱橋施工風(fēng)險(xiǎn)過高，最終本橋主拱圈采用施工風(fēng)險(xiǎn)低、施工進(jìn)度快的鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)。

2.3 拱上建筑形式

拱上建筑結(jié)構(gòu)體系上可分為簡支梁體系、連續(xù)梁體系和連續(xù)梁連續(xù)剛構(gòu)體系，從材料上可分為鋼筋混凝土主梁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土主梁、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)主梁和鋼結(jié)構(gòu)主梁。

目前已建成的上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑多采用簡支體系預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制梁，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式簡單，傳力路徑明確，拱上建筑多采用纜吊架設(shè)就位，施工工藝成熟。連續(xù)或連續(xù)剛構(gòu)體系的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土主梁具有更大的跨越能力，對提高結(jié)構(gòu)整體性更有利，但拱上建筑與拱圈聯(lián)合作用會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，易產(chǎn)生病害。鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)主梁自重輕，跨越能力大，既能降低承載能力狀態(tài)下的主拱圈內(nèi)力，又能減小地震響應(yīng)，但造價(jià)較高。

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，本橋拱上建筑采用結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁。

2.4 主拱圈矢跨比

矢跨比是拱橋設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一，對拱橋結(jié)構(gòu)特性有顯著的影響。矢跨比主要由恒載大小、橋位地形地質(zhì)情況、通航凈空要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)影響、穩(wěn)定性要求以及美學(xué)要求等因素決定，通常矢跨比在1/3.5～1/8之間。一般來說，對于上承式有推力鋼管混凝土拱橋，矢跨比越大，拱腳水平推力和弦桿軸力越小，主拱圈穩(wěn)定性能也越好。通過對本項(xiàng)目橋位處兩岸的地質(zhì)表露判斷，拱座標(biāo)高愈低，巖層裂隙發(fā)育愈少，山體邊坡穩(wěn)定性越好。在相同橋面標(biāo)高下，矢高越大則拱座基礎(chǔ)越低，地質(zhì)條件也越好。設(shè)計(jì)時(shí)分別采用1/3.8、1/4和1/4.5這3種矢跨比進(jìn)行對比計(jì)算，最終選用了1/3.8的矢跨比，取得了較好的受力性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.5 構(gòu)件截面和節(jié)點(diǎn)形式

鋼管混凝土桁架拱橋弦桿為圓型截面，而腹桿則有閉口空心鋼管截面和開口工字形截面2種形式，對應(yīng)桁架節(jié)點(diǎn)形式分別為管管相貫線焊接節(jié)點(diǎn)和型鋼栓焊節(jié)點(diǎn)。焊接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢在于構(gòu)造簡單，施工中可通過焊縫適應(yīng)少量放樣誤差，節(jié)點(diǎn)外形簡潔流暢，然而相貫線焊縫根部焊接困難，極易產(chǎn)生焊接缺陷，其疲勞強(qiáng)度也較低。栓焊節(jié)點(diǎn)的連接板與弦管先在工廠預(yù)制焊接，現(xiàn)場構(gòu)件拼接采用摩擦型高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)，避免了現(xiàn)場施焊條件差，焊接工作量大的問題，焊縫質(zhì)量有保證，節(jié)點(diǎn)抗疲勞強(qiáng)度高。綜合考慮施工工藝和受力性能，本橋采用型鋼腹桿和栓焊節(jié)點(diǎn)。

圖1 猛洞河大橋橋型布置圖(單位： m)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主拱圈

主拱圈計(jì)算跨徑268 m，計(jì)算矢高f=70.53 m，矢跨比1/3.8；拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)1.65。主拱圈由2道鋼管混凝土拱肋及橫撐組成，采用栓焊結(jié)合的連接形式。拱肋為等截面四管全桁式構(gòu)件，上下弦桿與腹桿及平聯(lián)之間采用高強(qiáng)螺栓栓接，內(nèi)斜撐與弦桿之間設(shè)節(jié)點(diǎn)板并焊接；橫撐與拱肋之間為管管焊接。

拱肋桁架弦桿中心上下間距3.9 m，水平間距3.5 m。弦管采用φ1100 mm鋼管，其中上弦桿壁厚由拱頂向拱腳分為24、20、24 mm 3段，下弦管壁厚由拱頂向拱腳分為20、24、28 mm 3段。上下弦管間設(shè)豎腹桿和斜腹桿，腹桿為焊接H型鋼，截面根據(jù)受力情況采用H420×420×16×20 mm和H420×420×18×24 mm這2種規(guī)格。弦管橫向設(shè)置平聯(lián)桿，平聯(lián)桿截面為H420×420×16×20 mm。腹桿、平聯(lián)桿與弦桿節(jié)點(diǎn)板之間采用10.9級(jí)M27高強(qiáng)螺栓連接。見圖2。

圖2 拱肋桁架斷面(單位： cm)

拱腳設(shè)置臨時(shí)鉸接頭，由φ1100×28 mm轉(zhuǎn)軸鋼管、φ450×16mm支承鋼管及加勁板組成；拱肋上、下弦管、鉸接頭轉(zhuǎn)軸鋼管及支承鋼管內(nèi)灌C55混凝土。拱肋節(jié)段劃分按最大吊裝重量不超過85 t控制，單邊拱肋分為16個(gè)節(jié)段，全橋共32個(gè)節(jié)段，最大節(jié)段重約80 t(拱腳段)。節(jié)段間接頭及合龍段在吊裝階段通過上、下弦管內(nèi)設(shè)置的內(nèi)法蘭臨時(shí)栓接，待拱肋合龍并調(diào)整拱軸線線形后再將接頭位置的弦管焊接。

立柱節(jié)點(diǎn)處的腹桿布置采用“雙豎腹桿+倒V型斜腹桿布置”設(shè)計(jì)(見圖3)，桁架豎腹桿布置與立柱對應(yīng)，并調(diào)整斜腹桿以加強(qiáng)上弦桿節(jié)點(diǎn)剛度。如此解決了上承式鋼管混凝土拱橋立柱節(jié)點(diǎn)荷載較大、對應(yīng)位置主拱肋剛度相對不足的問題，有效削減了拱肋節(jié)點(diǎn)應(yīng)力峰值，提高了拱肋承載能力。

圖3 立柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

兩拱肋間設(shè)橫撐，其中拱頂設(shè)1道“一”字橫撐，其他立柱位置設(shè)12道“米”字橫撐。每道橫撐均為鋼管桁架，橫撐上、下弦直桿采用φ630×14 mm鋼管、斜桿采用φ600×12 mm鋼管，上、下弦橫撐直桿間設(shè)φ402×10 mm豎腹桿及交叉斜腹桿。橫撐鋼管均為空鋼管。橫撐與主拱肋相應(yīng)節(jié)段同步吊裝，通過與預(yù)焊在主拱肋弦管上的短接頭焊接后形成整體結(jié)構(gòu)。見圖4。

圖4 橫撐構(gòu)造

3.2 拱上立柱、蓋梁

拱上立柱采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，其中L5～L7立柱高25～57 m，立柱主管采用φ450×10 mm鋼管；主管間設(shè)縱、橫向系梁和斜撐(綴桿)，均采用φ219×6 mm空鋼管；主管間距縱向?yàn)?40 cm，橫向?yàn)?50 cm。L1～L4立柱高3～16 m，立柱主管采用φ402×10 mm鋼管，主管縱向間距為110 cm。立柱下端與設(shè)在拱肋上的預(yù)焊管下接頭連接，下接頭外設(shè)鋼套管，立柱主管和下接頭鋼套管內(nèi)灌注C55微脹混凝土。立柱上端與設(shè)在蓋梁下的預(yù)焊上接頭焊接，上接頭節(jié)點(diǎn)設(shè)法蘭。立柱較長時(shí)，按10～15 m長度分段吊裝。

蓋梁采用鋼箱截面，頂板設(shè)2%橫坡，跨中梁高1.4 m。鋼箱梁頂、底板厚18 mm，腹板厚16 mm，橫隔板厚16 mm。在立柱位置，箱內(nèi)設(shè)管型加勁肋以將上部反力傳遞給立柱。蓋梁頂?shù)闹ё鶋|石采用鋼板條圍箱，內(nèi)設(shè)栓釘，灌入C40小石子混凝土。

3.3 拱座、交界墩

主橋拱座采用埋入式鋼筋混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)(見圖5)，迎拱腳面與放樣拱軸線垂直，背面設(shè)為與巖體密合的臺(tái)階形狀。拱座混凝土分C30、C40兩部分，第1次澆C30基礎(chǔ)，第2次澆C40拱座第1層，須精確預(yù)埋拱腳弦管接頭及鉸座，第3次澆C40拱座第2層封鉸。

圖5 拱座構(gòu)造(單位： cm)

拱座上的交界墩采用整幅雙柱式等截面矩形空心墩，墩柱中心距1300 cm，墩間不設(shè)橫系梁，墩頂設(shè)220 cm高鋼筋混凝土蓋梁，墩底與拱座相連。墩柱截面橫橋向等寬，縱橋向設(shè)1∶100變寬，墩底截面尺寸為497 cm×350 cm(縱×橫)，壁厚60 cm。

4 橋梁施工

鋼管混凝土拱橋具有自重輕、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，為山區(qū)一種理想橋梁結(jié)構(gòu)形式。但隨著橋梁跨度不斷增加，其架設(shè)難度也不斷加大。對于鋼管混凝土拱橋而言，通常有以下幾種架設(shè)方法：滿堂支架施工法、纜索吊裝 — 斜拉扣掛法、轉(zhuǎn)體施工法等。但就山區(qū)拱橋而言，其運(yùn)輸條件有限，通航不便利，纜索吊裝法能發(fā)揮“化整為零、集零為整”的優(yōu)勢，特別適合于跨越深谷的拱橋吊裝施工。

本項(xiàng)目猛洞河大橋采用870 m雙幅單跨無塔纜索吊裝系統(tǒng)(見圖6)，將纜索吊裝與斜拉扣掛系統(tǒng)分離開來，這樣不僅提升了吊裝系統(tǒng)的跨徑和吊裝能力，而且有效地減少了用鋼量，使吊裝系統(tǒng)的提前運(yùn)行，扣掛系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)用，也有效地避免了塔架位移對拱肋安裝時(shí)的精度影響。結(jié)合橋位處地形，將纜吊系統(tǒng)主纜錨固在山體，節(jié)省了單獨(dú)設(shè)置主塔的費(fèi)用。本橋通過合理的使用無支架纜索吊裝系統(tǒng)和斜拉扣掛系統(tǒng)，使主拱完成了高精度的合龍，效果良好，值得推廣。

圖6 纜索吊裝系統(tǒng)布置圖(單位： m)

5 結(jié)語

在山區(qū)高速公路建設(shè)中，上承式拱橋是一種適合跨越深溝、河谷的橋型，跨越能力大、美觀大方、經(jīng)濟(jì)合理。鋼筋混凝土拱橋、鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋或其他組合結(jié)構(gòu)拱橋各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)橋位處的地形地質(zhì)條件、交通運(yùn)輸條件及工期對主拱圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選。猛洞河大橋的成功建設(shè)，為山區(qū)“V”形峽谷地形條件下的拱橋設(shè)計(jì)與建造積累了先進(jìn)的技術(shù)及寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

2017-05-15

曹赟干(1984-)，男，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

1008-844X(2017)02-0178-04

U 448.22

A