一座裝配式下承系桿拱橋的設(shè)計(jì)探討

朱 純 海

(江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

本橋位于鹽城建湖縣，是雙湖路上一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)控制工程。雙湖大橋段為雙向六車道城鎮(zhèn)道路斷面，斷面總寬50 m，分三幅布置。具體斷面布置為：4 m人行道+5.5 m非機(jī)動(dòng)車道+4.25 m機(jī)非分隔帶+0.5 m路緣帶+3×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m雙黃線+3×3.5 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m路緣帶+4.25 m機(jī)非分隔帶+5.5 m非機(jī)動(dòng)車道+4 m人行道。

大橋跨越五級(jí)航道西塘河，通航凈空為45×5 m，大橋與西塘河的右偏角為104°。大橋主橋跨徑采用1-67 m，引橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑采用25 m。雙湖大橋橋梁全長462.76 m，橋跨布置為(4×25)+(22.95+25+22.95+25)+(1-67)+(2×22.25+2×25)+(4×25)m。主橋采用預(yù)制拼裝的鋼筋混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)，引橋采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)。

大橋建成后實(shí)景如圖1所示。

2 雙湖大橋主橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)構(gòu)思

1)橋梁總體布置。

本橋平面位于直線段上，考慮兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車通行需求與既有道路條件，大橋橋頭引道縱坡均采用2.45%，豎曲線半徑R=6 000 m。為滿足路橋平順銜接的功能需求，簡化橋梁結(jié)構(gòu)受力并提升整體橋梁景觀，大橋橫向采用了三幅布置斷面，如圖2所示。

2)施工方案的選取。

下承式系桿拱橋的施工常用的有兩種：滿堂支架施工與吊裝施工。不同的施工方法會(huì)導(dǎo)致施工和成橋階段不同的橋梁內(nèi)力分布，進(jìn)而影響橋梁設(shè)計(jì)配筋，施工方案的選取至關(guān)重要。而施工方案的選取主要取決于以下因素：a.河道施工期間是否有通航要求；b.河道現(xiàn)狀有無搭設(shè)支架條件。

針對(duì)雙湖大橋工程實(shí)例，由于河道現(xiàn)狀河水較深，水面較寬，且施工期間有通航要求，故該橋除橋面系外主受力構(gòu)件采用場地預(yù)制節(jié)段吊裝安裝的施工方案，在河道間設(shè)臨時(shí)墩并引導(dǎo)通航，將混凝土系梁分段吊裝施工，預(yù)留通航孔，吊裝施工拱肋、橫梁、鋼桁風(fēng)撐及行車道板。

2.2 系梁設(shè)計(jì)

在系桿拱橋混凝土系梁的設(shè)計(jì)中，系梁的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮以下因素：1)橫梁高度對(duì)系桿高度的影響；2)系桿壓應(yīng)力的控制；3)系梁梁端支座寬度對(duì)系梁寬度的控制；4)系梁在吊桿處的頂緣鋼筋應(yīng)繞開吊桿，不宜截?cái)?，下緣鋼筋在吊桿槽口兩側(cè)適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。

系梁的設(shè)計(jì)計(jì)算還應(yīng)注意以下方面：1)若直接通過系梁單元施加活載，應(yīng)注意系梁單元的模擬需與其實(shí)際傳力途徑一致；2)系梁皆為分段預(yù)制，后澆濕接縫連接成整體，計(jì)算模型中應(yīng)能真實(shí)反映此過程，即分階段模擬先簡支后連續(xù)過程；3)受預(yù)留通航孔的限制，系梁中間段較大，為控制系梁施工期間的應(yīng)力水平與變形，應(yīng)通過計(jì)算設(shè)置合適的短束滿足施工期的受力要求。

2.3 吊桿設(shè)計(jì)

吊桿設(shè)計(jì)考慮如下幾方面：1)剛性吊桿與柔性吊桿的選擇，常見的系桿拱橋設(shè)計(jì)中，相當(dāng)部分采用了柔性拉索吊桿，外套很薄的防護(hù)不銹鋼套管；在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)此種吊桿在小跨度的剛性系桿拱橋應(yīng)用中有后張拉吊桿對(duì)已安裝吊桿影響較大，換索相對(duì)困難等問題，故建議采用外套受力鋼管的剛性拉索吊桿。2)明確吊桿施工過程中的張拉索力，大橋施工過程與成橋階段吊桿受力差異較大，有必要根據(jù)實(shí)際施工過程的需要確定吊桿拉索的分批張拉力，依據(jù)施工階段及成橋階段的控制要求，一般宜做到使剛性吊桿在施工和成橋階段始終不出現(xiàn)拉應(yīng)力為宜。吊桿在施工階段需能承受施工恒載及結(jié)構(gòu)恒載，第一批張拉控制應(yīng)力可根據(jù)每根吊桿所分擔(dān)的恒載確定，并留一定的富余，最終的張拉控制應(yīng)力應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)恒載和活載的共同作用確定。3)合理確定吊桿外套鋼管的尺寸，在擬定鋼管內(nèi)徑時(shí)應(yīng)滿足帶冷鑄錨頭拉索穿過的需求，鋼管壁厚的確定以換索時(shí)吊桿外套鋼管能獨(dú)立承受該節(jié)段恒載為原則；同時(shí)滿足個(gè)別長吊桿的壓桿穩(wěn)定要求。4)為便于更換吊桿，吊桿在拱肋上的張拉段錨頭設(shè)計(jì)宜置于拱肋上端，下端錨固于系梁下緣，并做好錨頭防腐。

2.4 拱肋設(shè)計(jì)

本橋吊裝施工的拱肋設(shè)計(jì)主要考慮以下幾方面：1)吊裝過程中不允許拱肋出現(xiàn)裂縫并能滿足承載力要求即須合理地分段和確定每段吊點(diǎn)位置；2)拱肋在成橋階段的應(yīng)力水平應(yīng)滿足規(guī)范要求；3)為保證施工過程中拱肋鋼筋的合理受力及施工過程拱軸線精度控制的需要，混凝土拱肋在濕接頭處須設(shè)置半剛性鉸；4)在拱肋的主筋布置時(shí)應(yīng)注意由于拱肋中部鋼筋在吊桿的施工過程中須截?cái)?，且在吊桿拱頂張拉端處粗鋼筋恢復(fù)連接困難，考慮不計(jì)入截?cái)嗟膸赘摻钍芰?，布置拱肋主筋時(shí)應(yīng)盡量布置在吊桿穿過的兩側(cè)，中間僅布置較細(xì)的鋼筋，同時(shí)在截?cái)嗟牟课谎a(bǔ)充拱肋短筋。

2.5 橫梁設(shè)計(jì)

橫梁的設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)分對(duì)待端橫梁與內(nèi)橫梁，計(jì)算分析表明端橫梁的邊界更接近于固端梁，內(nèi)橫梁的邊界則更接近簡支梁。在計(jì)算橫梁的活載效應(yīng)時(shí)可先應(yīng)用杠桿法得到單車道車輛荷載產(chǎn)生的效應(yīng)，再采用橫向加載的模式計(jì)算橫梁配束或配筋。內(nèi)橫梁的設(shè)計(jì)宜盡量統(tǒng)一，支座順橋向的設(shè)置盡量保持與端橫梁形心軸一致或接近。

2.6 風(fēng)撐設(shè)計(jì)

主車道主橋風(fēng)撐跨徑達(dá)25.1 m，常規(guī)使用的混凝土結(jié)構(gòu)因吊裝重量較大不利于施工，故本橋采用了輕型鋼桁梁風(fēng)撐，在滿足受力的基礎(chǔ)上既方便施工也能提升橋梁景觀。

3 工程特色與技術(shù)亮點(diǎn)

1)倡導(dǎo)通行安全、順暢，合理選擇橋梁斷面布置。

本橋位于50 m寬的城市主干道上，道路斷面組成為4.0 m人行道+5.5 m非機(jī)動(dòng)車道+4.25 m側(cè)分帶+22.5 m機(jī)動(dòng)車道+4.25 m側(cè)分帶+5.5 m非機(jī)動(dòng)車道+4.0 m人行道=50 m。

由道路斷面可知橋梁結(jié)構(gòu)寬度在4.25 m側(cè)分帶內(nèi)布置對(duì)通行安全、通暢要求是最有利的，而單幅橋梁會(huì)造成寬跨比失調(diào)(50/67)、結(jié)構(gòu)空間受力復(fù)雜等問題，三幅橋的布置形式既實(shí)現(xiàn)了與道路的無縫連接也解決了橋梁整體受力與景觀問題。

2)精細(xì)化設(shè)計(jì)打造品質(zhì)工程。

雙湖路是建湖縣的門戶道路，雙湖大橋作為雙湖路上的重要節(jié)點(diǎn)工程，打造品質(zhì)工程是時(shí)代的需求。為確保整個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施，從設(shè)計(jì)源頭抓起，樹立精細(xì)化設(shè)計(jì)理念，在主橋各構(gòu)件設(shè)計(jì)中，結(jié)合受力需要，合理選擇截面型式，注重細(xì)節(jié)處理。

具體精細(xì)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在以下幾方面：

a.針對(duì)兩側(cè)人非橋?qū)挾容^小，選擇工字型系梁截面；對(duì)車行橋的系梁，考慮到預(yù)制橫梁架設(shè)時(shí)對(duì)系梁的較大的扭轉(zhuǎn)作用，選擇箱形截面。

b.鑒于拱腳鋼筋布置復(fù)雜，設(shè)計(jì)中充分考慮鋼筋位置的沖突問題。

c.鑒于車行橋主橋系梁中間段預(yù)留通航孔長度較大，通過節(jié)段短鋼束解決中間節(jié)段架設(shè)時(shí)的撓曲與開裂問題。

d.針對(duì)車行橋?qū)挊蛎鎺淼幕炷溜L(fēng)撐整體重量較大，吊裝困難等問題，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換思路，采用了輕型鋼桁風(fēng)撐型式，既簡化了施工也提升了大橋景觀效果。

3)推進(jìn)綠色設(shè)計(jì)理念，采用預(yù)制拼裝施工工藝。

低碳環(huán)保是新時(shí)期橋梁建設(shè)的新要求，本橋全橋預(yù)制拼裝工藝的提出正是基于綠色設(shè)計(jì)理念，利用工業(yè)化生產(chǎn)確?；炷翝仓|(zhì)量，通過預(yù)留后澆帶解決預(yù)制構(gòu)件間的拼接問題，通過設(shè)置拱肋半剛性鉸解決主橋拱肋預(yù)制構(gòu)件的臨時(shí)定位。大橋引橋更是全部采用裝配式的組合箱梁結(jié)構(gòu)，加快了項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，保證了項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量。

4)樹立全壽命設(shè)計(jì)理念，采用防落梁設(shè)計(jì)，注重吊索的防腐、可更換、可維修設(shè)計(jì)。

隨著近年來系桿拱橋梁事故的頻發(fā)，人們?cè)桨l(fā)關(guān)注此種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限范圍內(nèi)的安全性，結(jié)構(gòu)的整體性差與吊桿失效是這類橋梁事故的主要原因，在本橋中樹立全壽命設(shè)計(jì)理念，采用防落梁設(shè)計(jì)，同時(shí)采用我院系桿拱橋剛性吊桿的專利設(shè)計(jì)，確保吊桿的防腐與更換的便捷性。

4 結(jié)語

本橋通過精心設(shè)計(jì)為工程的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，受到業(yè)主方與施工方的一致好評(píng)，同時(shí)獲得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，可為系桿拱橋技術(shù)的發(fā)展提供了一定的借鑒，對(duì)推動(dòng)系桿拱橋設(shè)計(jì)與施工成套技術(shù)的完善起到積極作用。