鋼管混凝土拱橋設(shè)計

馮明友

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州貴陽550001）

鋼管混凝土拱橋設(shè)計

馮明友

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州貴陽550001）

以貴州清鎮(zhèn)職教城龍鳳大道上的龍鳳大橋設(shè)計為例，闡述了結(jié)合環(huán)境保護及景觀要求的橋梁選型；并詳細介紹了190 m跨徑鋼管混凝土拱橋的構(gòu)造處理，結(jié)構(gòu)計算及施工要點。

鋼管混凝土拱橋;有限元計算;設(shè)計

1 概述

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，橋梁作為一種跨越障礙物的建筑物，不僅給人們帶來生活上的便利，也給人們帶來美的享受。鋼管混凝土拱橋造型美觀，跨越能力強，充分利用鋼材和混凝土兩種建筑材料的力學(xué)性能，實現(xiàn)跨越和美的組合。采用大跨徑橋梁方案有時是地形條件所限，有時是保護環(huán)境，避免污染自然水體的要求。清鎮(zhèn)職教城龍鳳大道上的龍鳳大橋亦是后者。龍鳳大橋跨越保護水體老馬河，不宜在河內(nèi)設(shè)置構(gòu)筑物，避免污染水源，因而采取大跨橋梁跨越河流。大橋位于高校區(qū)和景觀區(qū)，對橋梁造型要求高，與環(huán)境和諧協(xié)調(diào)，采用鋼管混凝土拱橋是最佳橋梁方案[1,2]。

2 橋梁設(shè)計

主橋為凈跨徑190 m的中承式鋼管混凝土等截面桁架拱，標準橋?qū)挒?5 m，拱肋與橋面系相交位置及跨中設(shè)置觀景平臺，由35 m漸變?yōu)樽畲髽驅(qū)?2.2 m。橋梁全長209.2 m，計算跨徑193.42 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數(shù)m=1.8，矢高h=47.5 m，矢跨比f=1/4。

（1）主拱圈

主拱拱肋為4肢鋼管桁架式斷面，每一拱肋為兩片由腹桿鋼管與上、下弦桿鋼管焊接形成的桁架片橫向連接形成。桁架橫向連接采用綴板與橫隔板結(jié)合方式將兩片桁架片連接為一整體，組成一條拱肋。拱肋鋼管桁架為等截面布置，拱肋高3.7 m（中到中），單片拱肋寬度1.5 m（中到中）。拱肋上、下弦桿鋼管采用900×20～25 mm的直縫焊接管，腹桿采用450×12 mm無縫鋼管；橫聯(lián)桿采用550×12～16 mm無縫鋼管，桁架中鋼管及橫向連接鋼板均采用Q345C鋼焊接連接。

拱肋的上、下弦鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，形成鋼管混凝土組合受力截面。

主橋鋼管混凝土拱肋拱腳段，考慮銹蝕及飄浮物撞擊等因素，拱肋外包一層C50混凝土。

主跨橋面兩個拱肋間共設(shè)置6道風(fēng)撐，風(fēng)撐布置縱向間距為20 m?？缰胁捎妹鬃謸危白幉捎谩耙弧弊中惋L(fēng)撐，其余均為K形風(fēng)撐，風(fēng)撐為鋼管桁架，風(fēng)撐主管采用500×12 mm直縫焊接管，風(fēng)撐支管采用355×10 mm無縫鋼管。風(fēng)撐鋼管均采用Q345C鋼管焊接形成桁架。

兩個主拱拱肋除通過橋面上的風(fēng)撐連接外，在橋面與拱肋相交處設(shè)置拱肋肋間橫梁進行橫向連接。

為了使主拱圈在吊裝過程中便于調(diào)整標高和線型，拱腳接頭采用豎向可轉(zhuǎn)動的鉸連接方式。拱腳截面中心處設(shè)置一弧形鉸，上下弦管與拱腳預(yù)埋段間留60 cm斷縫，待主拱圈吊裝完畢，調(diào)整好拱肋標高及線型后，首先采用與主拱圈同規(guī)格、同材質(zhì)的鋼管進行對接溶透焊后，再采用外包鋼板補強焊的形式連接拱腳接頭。

節(jié)段間采用內(nèi)法蘭加搭接套管形式連接。

拱頂采用內(nèi)置式瞬間合攏連接構(gòu)造。

（2）立柱

主拱立柱均為鋼管混凝土立柱，立柱截面為Φ800×16 mm斷面。立柱內(nèi)灌注C50混凝土。

（3）吊桿體系

全橋拱肋共23對吊桿，吊桿縱向間距按6.8 m設(shè)置，橫向軸線距29 m。吊索為15-25高強鋼絞線，采用GJ鋼絞線整束擠壓吊桿體系錨具。吊桿為可更換，更換時可用臨時專用構(gòu)件支撐橫梁，拆除舊吊桿，安裝新吊桿。

（4）橫梁體系

本橋橫梁體系包括吊桿橫梁、立柱橫梁、肋間橫梁、伸縮縫端橫梁。

吊桿橫梁、立柱橫梁、肋間橫梁均為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，伸縮縫端橫梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余均為為工字型鋼結(jié)構(gòu)。頂板設(shè)雙向1.5%橫坡。

（5）縱梁

在吊桿橫梁間設(shè)置9道鋼縱梁以形成較好的結(jié)構(gòu)整體性。縱梁采用焊接工字鋼斷面，梁高0.8～2.361 m?？v梁與鋼橫梁采用螺栓連接。

（6）主橋橋面系

16 cm厚預(yù)制鋼筋混凝土板通過縱、橫向濕接縫互相連接，并通過剪力釘與鋼縱梁、鋼橫梁連接，濕接縫混凝土采用微膨脹鋼纖維CF50補償收縮混凝土。10 cm鋼纖維混凝土鋪裝層參與橋面共同受力。

橋面人行道縱梁采用預(yù)制C50鋼筋混凝土縱梁，通過濕接縫連接，在鋼縱梁、鋼橫梁的地方通過剪力釘連接在其上。

3 橋梁結(jié)構(gòu)計算及分析

3.1 計算模型及荷載

將主拱圈、拱上立柱、鋼帽梁及橋面系縱、橫梁等按實際結(jié)構(gòu)尺寸離散為空間有限元桿件，并建立三維空間模型，準確模擬桿件的空間尺寸、材料特性、連接方式及初始應(yīng)力等，利用大型通用計算機軟件M IDAS-Ci vi l按施工階段和成橋狀態(tài)下的不同荷載組合對結(jié)構(gòu)進行靜力、動力及穩(wěn)定性分析。

施工階段計算按施工加載順序進行，考慮了施工過程拱肋的彈性壓縮、混凝土的收縮徐變、溫度、施工荷載變化等因素的影響。

動力計算進行了結(jié)構(gòu)的自振特性、抗震分析、抗風(fēng)分析。

穩(wěn)定計算進行了穩(wěn)定系數(shù)分析。

主拱圈及橋面系均采用梁單元，施工臨時扣索、錨索以及吊桿采用桁架單元模擬。全橋共個3840單元，2201個節(jié)點。計算模型見圖1。

圖1 有限元模型圖

3.2 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

對上部結(jié)構(gòu)中吊桿、橫梁及橋面板按單獨構(gòu)件進行計算。

對照組12種藥材共鑒定正確10種（83.3%），錯誤2種，常規(guī)組12種藥材共鑒定正確11種（91.7%），錯誤1種，觀察組中藥材鑒定準確率明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

全橋結(jié)構(gòu)按空間桿系結(jié)構(gòu)進行整體計算和構(gòu)件內(nèi)力計算分析后進行強度和剛度驗算，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求。計算中對鋼管混凝土拱肋受力行為按容許應(yīng)力進行考察，應(yīng)力計算按鋼和混凝土分別進行逐階段應(yīng)力疊加。按應(yīng)力疊加法計算出的拱肋混凝土應(yīng)力、鋼管應(yīng)力均小于材料容許應(yīng)力規(guī)范限制。

整體計算中拱橋穩(wěn)定性計算進行的空間結(jié)構(gòu)分析。主要進行空鋼管灌注混凝土工況和運營工況的結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定分析，計算結(jié)果表明：施工階段最不利情況的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)λ=8.2，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋面外側(cè)傾斜失穩(wěn)；運營階段最不利情況下的第一類穩(wěn)定安全系數(shù)λ=6.0，失穩(wěn)模態(tài)為面外失穩(wěn)。上述穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，符合相關(guān)規(guī)范要求，其空間穩(wěn)定性可以得到保障。

4 鋼管混凝土拱橋施工要點

由于該橋施工條件困難、施工工藝復(fù)雜、技術(shù)難度高，且采用大型纜索吊裝設(shè)備及吊機橫移工藝，故要求施工方具有優(yōu)良的技術(shù)裝備、較強的施工能力、先進的管理水平和從事技術(shù)復(fù)雜特大橋的豐富的施工經(jīng)驗。

4.1 主橋施工方案簡述

主橋主跨上部結(jié)構(gòu)采用纜索吊系統(tǒng)進行吊裝施工。

拱肋鋼管采用扣索配合的纜索吊裝施工方案。拱肋鋼管在工廠制造桁架節(jié)段，運輸至工地后，工地組焊為吊裝節(jié)段，再采用纜索吊裝、斜拉扣掛、單肋拱合攏的施工方案。

4.2 鋼管混凝土拱肋施工

（1）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的長處和特點，鋼管拱肋系全焊結(jié)構(gòu)。

（2）先繪制結(jié)構(gòu)施工大樣圖，和設(shè)計文件校核。

（3）放大樣圖時逐點考慮對應(yīng)的施工預(yù)拱度。

（4）鋼管的加工

拱肋及風(fēng)撐鋼管采用Q345C鋼鋼板卷制的直縫焊接管。

拱肋曲線采用弧線鋼管拼接。

長直管采用加熱頂壓法彎曲成弧形。

管內(nèi)需進行噴砂除銹，不灌混凝土的管件，需在管內(nèi)壁進行防護。

（5）拱肋節(jié)段的加工

本橋主拱拱肋桁架為4根鋼管組合而成的桁式斷面。對單片拱肋進行分段加工、組拼。

（6）拱肋吊裝合攏

每條拱肋分4段吊裝合龍，拉好扣索和浪風(fēng)，單片拱肋吊裝。兩拱肋合龍及接頭處理完成后須及時吊裝橫撐，澆筑拱腳封鉸混凝土，完成拱肋從兩鉸到無鉸的體系轉(zhuǎn)換。只有在拱肋橫撐吊裝施工階段全部完成，拱腳封鉸混凝土達到設(shè)計強度時才能松吊索、扣索和浪風(fēng)。拱肋鋼管桁架全部吊裝完成后，按施工加載程序逐段進行加載。

合攏時間須選擇在一天的低溫時段內(nèi)（以清晨為好），合攏時溫度不得高于15℃，亦不得低于10℃。

（7）拱肋鋼管混凝土灌注：

本橋采用從拱腳到拱頂用泵送混凝土頂升法灌注混凝土。

4.3 吊桿施工

根據(jù)設(shè)計順序安裝吊桿、吊裝橫梁到設(shè)計標高。

4.4 橋面系施工

車行道板須先制造并放置3個月以上的時間，以減少混凝土徐變的不利影響。

4.5 施工控制

設(shè)計中對整個加載過程作了詳細規(guī)定，施工時須嚴格按擬定程序進行，并保證加載的對稱性和均衡性。吊裝施工過程和拱肋加載過程及系桿張拉中必須進行專門的施工監(jiān)控。

5 結(jié)語

龍鳳大橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，結(jié)構(gòu)合理，造型美觀。充分利用了地形條件，很好的保護了自然水體，做到了工程與環(huán)境的友好協(xié)調(diào)。通過計算分析，不斷的優(yōu)化構(gòu)件組合及尺寸，在保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件安全穩(wěn)定的前提下，做到經(jīng)濟合理。

[1] 田興.碳纖維加固技術(shù)在舊危橋改造中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2011(10):213.

[2] 楊剛.拱橋施工方法初探[J].民營科技,2008(4):176-177.

U448.22

B

1009-7716（2017）11-0081-03

2017-07-07

馮明友（1977-），男，貴州貴陽人，高級工程師，從事道橋設(shè)計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.023