大跨度鋼桁拱橋設計關(guān)鍵技術(shù)

孫 亮

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430010）

1 概 述

白露大橋是柳州市北外環(huán)路跨越柳江的過江通道，橋位河段河槽順直，岸線穩(wěn)定，水文、地質(zhì)條件均較好，具備良好的建橋條件。橋址區(qū)柳江河道寬約560 m，水面寬約500 m，水下河床斷面較為平緩，下伏基巖主要為白云巖，埋深1.1～64 m，單軸抗壓強度60 MPa，地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定。

大橋設置雙向八車道，道路等級為城市快速路，設計車速為80 km/h，設計活載為城—A 級汽車荷載，橋下通航等級為Ⅲ（3）級，雙向通航孔凈寬110 m，凈高10 m。

2 橋型方案與總體布置

白露大橋建設前，柳州已建成的具有代表性的橋梁跨度多在100～150 m 左右，根據(jù)通航技術(shù)要求專題論證成果，主橋采用單孔單向通航時，跨度應在100 m 左右，采用單孔雙向通航時，跨度應在200 m左右，同時，由于橋位處于飲用水水源保護區(qū)范圍，根據(jù)大橋建設的環(huán)境影響評價，江中不宜布置過多的橋墩以避免水下基礎施工時對水源造成污染。結(jié)合通航、環(huán)保、水利主管部門的意見，并綜合考慮工程造價、景觀效果等各方面因素，經(jīng)多方案比選，最終確定采用3 跨連續(xù)鋼桁拱- 桁梁組合結(jié)構(gòu)體系，孔跨布置為108 m+288 m+108 m = 504 m，邊中跨比為0.375，符合連續(xù)鋼桁梁橋的受力特點。邊跨鋼桁梁與中跨剛性拱柔性梁形式的鋼桁拱平順連接，線形流暢優(yōu)美，主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

3 結(jié)構(gòu)布置

3.1 主桁結(jié)構(gòu)

中跨拱圈采用變高度桁架形式，拱圈桁架上弦與邊跨鋼桁梁上弦以反向圓曲線平順連接，形成3 跨連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)[1]。拱圈矢高67 m，矢跨比1/4.3，采用變高度“N”形桁式，跨中處桁高為8 m，2 個主墩支點處拱腳設有下加勁弦，桁高為35.45 m。為承受拱圈產(chǎn)生的水平推力，在拱圈桁架的兩拱腳間設有系桿，拱圈與系桿之間通過柔性吊桿連接。變高度的拱圈桁架，符合懸臂安裝施工中結(jié)構(gòu)的受力要求，在成橋運營狀態(tài)，鋼桁拱依靠拱圈與系桿結(jié)構(gòu)共同受力，具有較大的豎向抗彎能力與較好的豎向剛度。邊跨鋼桁梁主桁也采用變高形式，梁端桁高為13 m，上弦以5%的坡度往中跨方向變高，與拱圈桁架一樣采用“N”形桁式，節(jié)間距為12 m。

橋面設置有雙向八車道和雙側(cè)人行道，車行道標準橫斷面寬度達35 m，為避免過多的桿件對橋面行駛觀感造成較大的影響，采用了2 片主桁的結(jié)構(gòu)形式，主桁中心距37 m，人行道置于主桁外側(cè)，橋面全寬43.5 m。

3.2 聯(lián)結(jié)系

拱圈上下弦桿平面、邊跨桁梁上弦桿平面、拱腳處下加勁弦桿平面均設置縱向聯(lián)結(jié)系，保證截面的整體性與拱圈的穩(wěn)定[2]。豎桿平面內(nèi)每隔一個節(jié)間設置一道橫向聯(lián)結(jié)系，增加截面的抗扭轉(zhuǎn)剛度，梁端斜桿平面及主墩處豎桿平面內(nèi)設置橋門架。聯(lián)結(jié)系形式力求簡潔，縱向聯(lián)結(jié)系采用菱形桁式，橫向聯(lián)結(jié)系采用三角形桁式（見圖2）。

圖2 聯(lián)結(jié)系布置

3.3 橋面結(jié)構(gòu)

公路橋面置于下弦平面，采用密橫梁體系的正交異性整體橋面板，除在主桁節(jié)點處設置節(jié)點橫梁外，每個節(jié)間中還設置3 道節(jié)間橫梁。橫梁均采用工字形截面的魚腹式變高粱，橋梁中心線處梁高為2.645 m，頂板為16 mm 厚的整體鋼橋面板，與主桁下弦桿（或系桿）的上水平板伸出緣對接焊連接，腹板、底板與主桁下弦桿（或系桿）上的接頭采用高強度螺栓連接，見圖3。

圖3 橋面結(jié)構(gòu)橫斷面布置（單位：cm）

4 設計關(guān)鍵技術(shù)

4.1 拱圈矢跨比的選取

拱圈的矢跨比不僅關(guān)系到拱橋的受力狀況，還影響其線形的協(xié)調(diào)、美觀程度，因此，合理地選取矢跨比是設計的關(guān)鍵[3]。國內(nèi)外已建成的鋼桁拱橋矢跨比多在1/5～1/4，例如南京大勝關(guān)長江大橋為1/4、重慶朝天門大橋為1/4.3、悉尼港灣大橋為1/4.7、萬州長江鐵路大橋為1/4.8。為了選取合適的矢跨比，針對288 m 的拱圈跨度分析了采用不同矢高時主橋的受力狀態(tài)和材料用量指標，見表1。

表1 綜合數(shù)據(jù)比較表

從表1 可知，隨著矢跨比的增大，拱頂彎矩和系桿拉力逐步減小，拱腳軸力和拱圈剛度逐步增大，符合拱橋的受力特征。受各部位構(gòu)件內(nèi)力狀況的綜合影響，全橋用鋼量總體變化不大，當矢跨比為1/4.3時達到相對較小值，結(jié)合橋梁整體線形的視覺美觀效果，選取拱圈矢跨比為1/4.3。

4.2 大間距主桁的空間桁架結(jié)構(gòu)

對于橋面寬度較大的桁架結(jié)構(gòu)，設計時多采用3片主桁以減小橫向受力構(gòu)件的跨度和截面尺寸，但更多地考慮到城市橋梁的景觀因素，本橋仍采用了2片主桁，由此對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件造成的影響主要有以下兩點：

（1）橋面橫向受力構(gòu)件跨度大，截面尺寸大。

橋面橫梁跨度與主桁間距相同，為37 m，在恒載與橫向8 車道車輛荷載的組合作用下，跨中彎矩達15 633 kN·m，根據(jù)受力特性將其設計為魚腹式結(jié)構(gòu)，跨中截面高2.645 m，在距兩端支點各約1/5跨處截面高度漸變至1.7 m，與主桁下弦桿（或系桿）截面等高，便于與之連接，同時，橫梁下翼緣寬度也由跨中的760 mm 漸變?yōu)橹c附近的500 mm。

較大的橫向?qū)挾纫矠闃蛎嫦档倪\輸和安裝帶來不便，為解決這一問題，將每個節(jié)間的橋面板在距節(jié)點橫梁中心線1m 處斷開，并在橫向分為3 段（含節(jié)間橫梁），工地安裝時將橋面板縱向與節(jié)點橫梁上翼緣板對接焊，橫向與主桁下弦桿（或系桿）的上水平板伸出緣以及相鄰的橋面板對接焊，節(jié)間橫梁的腹板和下翼緣板通過高強螺栓與主桁下弦桿（或系桿）上的橫梁接頭連接，橋面板劃分及安裝示意見圖4。

圖4 橋面板劃分及安裝示意

（2）邊跨桁梁的橫向框架效應明顯。

由邊跨主桁腹桿、橋面橫梁、平聯(lián)橫撐形成的橫向框架結(jié)構(gòu)高13 m、寬37 m，盡管魚腹式橫梁較小的桿端截面可一定程度上減小橫梁與腹桿連接處的節(jié)點剛性，但由于橫向框架較大的寬高比和腹桿線剛度，在橋面豎向荷載的作用下，腹桿除承受軸向力外還需承擔由節(jié)點剛性引起的較大的桿端彎矩。此時若通過增大截面來提高腹桿的抗彎剛度，則會導致桿端彎矩進一步增大，甚至可能出現(xiàn)桿端彎矩的增長率超過截面抗彎剛度增長率的情形，造成材料浪費或使腹桿截面設計陷入惡性循環(huán)。為解決這一問題，從降低節(jié)點固端彎矩的思路出發(fā)，將主桁腹桿設計為變截面，減小腹桿在節(jié)點板以外部分的翼緣板寬度，通過降低其線剛度，達到減小彎曲應力的目的，同時還在腹桿中性軸附近增設肋板，適當增加截面面積，減小其軸向應力，使其組合應力進一步減小。

4.3 平聯(lián)形式的選取

平聯(lián)桿件與主桁弦桿一起組成縱向平面桁架傳遞橫向風力，為了不使主桁弦桿因橫向風力的作用而產(chǎn)生主桁面外方向的彎矩，通常需在每個主桁節(jié)點處連續(xù)布置平聯(lián)桿件，但考慮到較多的桿件會降低橋面通透感，影響橋梁的景觀效果，在選取平聯(lián)形式時結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力特性和美觀程度，分別對連續(xù)布置的交叉形、連續(xù)布置的菱形和間斷布置的“K”形等三種平聯(lián)形式進行了分析，三種平聯(lián)結(jié)構(gòu)形式見圖5。

圖5 平聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

方案一平聯(lián)桿件連續(xù)交叉布置，并且為了減小橫撐的自由長度，在橫撐中部至斜撐交叉節(jié)點處還設置了短撐桿，結(jié)構(gòu)剛度大，可將橫向風力更直接地傳遞給橋門架，但桿件密集繁雜，美觀程度較差。方案二在方案一的基礎上取消了一半的橫撐并取消了除端部以外的所有短撐桿，布置形式相對簡潔，但同時也由于平聯(lián)剛度的降低，使弦桿需承受更多的風力。方案三K 形平聯(lián)間斷布置，桿件數(shù)量少，形式簡潔美觀，但由于平聯(lián)桿件不能與主桁弦桿一起組成桁架結(jié)構(gòu)，需通過弦桿側(cè)向受彎將風力傳遞至橋門架。

計算表明，在橫向風荷載作用下，方案一拱圈跨中側(cè)向位移為84 mm，拱腳處弦桿應力為32 MPa；方案二拱圈跨中側(cè)向位移為95 mm，拱腳處弦桿應力為58 MPa；方案三拱圈跨中最大側(cè)向位移為209 mm，拱腳處弦桿應力為144 MPa，運營狀態(tài)下拱肋弦桿桿件最大壓應力超出材料設計強度較多，需加大截面尺寸。與方案一相比，采用方案二需加大部分主桁桿件板厚，總用鋼量需增加約300 t，若采用方案三，則需加大拱肋主桁桿件截面尺寸，并增加總用鋼量約1 300 t，綜合考慮橋面景觀效果和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性后確定采用方案二———菱形平聯(lián)。

4.4 密橫梁形式的整體橋面結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的鋼桁橋梁公路正交異性橋面板結(jié)構(gòu)多采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系[4]，由縱肋和橫肋雙向加勁的鋼橋面板將橋面荷載通過縱梁傳遞至節(jié)點橫梁，并由節(jié)點橫梁傳遞至主桁節(jié)點。橋面荷載轉(zhuǎn)換為主桁的節(jié)點荷載，除節(jié)點剛性引起的次彎矩外，主桁桿件以受軸向力為主，符合桁架結(jié)構(gòu)的受力特性。但由于橋面系參與主桁共同作用的影響，會使縱梁產(chǎn)生軸力并引起橫梁產(chǎn)生面外彎曲，隨著橋梁跨度的增大，這種共同作用的效應更為明顯，橫梁的面外彎曲應力已成為設計的控制因素之一。

為解決這一問題，橋面系采用了密橫梁形式的正交異性整體橋面板，取消縱梁后橋面荷載直接由橫梁傳遞至主桁節(jié)點以及弦桿上，這樣雖然使弦桿產(chǎn)生了節(jié)間彎矩，但采用密橫梁減小了橫梁間距，可有效降低節(jié)點橫梁截面高度，同時，橋面系仍然參與主桁共同作用，分擔主桁軸力（見圖6）。

圖6 密橫梁形式的整體橋面板

4.5 吊桿形式選擇

鋼桁拱橋吊桿的風致振動影響到橋梁的安全性和舒適性，而吊桿的形式又是影響其風致振動的重要因素之一[5]，為了確保結(jié)構(gòu)抗風安全，針對吊桿形式開展了理論分析研究。

吊桿按其材料可分為剛性吊桿和柔性吊桿。剛性吊桿一般采用H 形截面或帶倒角的箱形截面鋼拉桿，安裝方便、易于維護。H 形截面吊桿因其自振頻率較低且外形氣動性能較差，易產(chǎn)生渦振和馳振，通過增加風嘴或在翼板、腹板上開孔等方式可在一定程度上予以改善；箱形截面吊桿由于增加了截面剛度，提高了吊桿的自振頻率，同時截面倒角優(yōu)化了吊桿的氣動外形，從而可提高振動發(fā)生的風速。柔性吊桿一般采用平行鋼絲或鋼絞線拉索，具備較好的耐疲勞性能，其圓形截面具有較好的氣動性能，同時可在確保結(jié)吊桿安全系數(shù)滿足規(guī)范要求的前提下，盡量選擇截面較小的拉索，使吊桿始終處于緊繃狀態(tài)，可進一步減小吊桿風振振幅，提高發(fā)振風速。

從吊桿的氣動性能、振幅大小、疲勞性能、安裝維護便利性等方面進行比選，最終確定采用綜合性能較優(yōu)的柔性吊桿[6]。吊桿選用標準抗拉強度為1 860 MPa 的整束擠壓鋼絞線拉索，橋梁運營至今，尚未監(jiān)測到明顯的渦振、馳振等風致振動現(xiàn)象，使用效果良好。

4.6 施工方案

對于主跨為桁拱、邊跨為桁梁的連續(xù)鋼桁拱—梁組合體系橋梁，通常邊跨采用支架法架設，主跨采用斜拉扣掛懸臂架設，通過調(diào)整吊索塔架的拉索索力來控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，從而實現(xiàn)拱圈的安裝和合龍。該方法施工操作相對簡單，但吊索塔架自身結(jié)構(gòu)高度較大，需采用大噸位的塔吊，安裝較為困難，同時還需占用拱圈的架設時間?？紤]到橋位段江面行駛船舶少且噸位小這一有利條件，提出并制定了以臨時墩輔助拱上爬行吊機懸臂架設中跨拱圈的施工方案（見圖7），省去了吊索塔架的定制、安裝工期[7]。

圖7 施工方案示意

邊跨鋼桁梁采用支架法半懸臂架設的常規(guī)施工方案，分別在E1、E2、E3、E5 節(jié)點處設置臨時支墩，從邊墩向跨中方向逐段架設直至主墩，架設過程中逐步施加和調(diào)整壓重，以保證梁體的抗傾覆穩(wěn)定性。邊跨鋼梁架設完成后，利用拱上爬行吊機繼續(xù)向跨中懸臂拼裝中跨桁拱，根據(jù)墩頂部位桿件的受力狀況，在E13、E17 節(jié)點處設置臨時墩，考慮到架設過程中因結(jié)構(gòu)自重引起的鋼梁整體偏移量，縱向活動支座側(cè)的E13、E17 臨時墩位置分別向跨中偏移了0.6 m 和0.3 m，固定支座側(cè)的臨時墩仍按理論位置布置。

整個施工過程中，橋面系均隨主桁桿件同步架設，合龍時，借助于前期鋼桁拱架設的仰角姿態(tài)，并通過調(diào)整支點高程以及利用支點處的縱橫移設備實現(xiàn)無應力合龍，順序為先合龍拱圈再合龍系桿和橋面。

5 結(jié) 語

柳州白露大橋主橋采用主跨288 m 的連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)，橋面寬度43.5 m，主桁中心距37 m，是國內(nèi)主桁間距最大的公路鋼桁拱橋。依據(jù)大橋的工程技術(shù)特點，對主桁腹桿進行變截面處理，解決了邊跨平弦桁梁橫向矮寬框架效應造成的節(jié)點固端彎矩大的問題；通過進行分析、比選，在結(jié)構(gòu)受力和美觀之間尋找平衡點，優(yōu)化了平聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式；兼顧結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造的合理性，采用了密橫梁形式的整體橋面結(jié)構(gòu)；中跨拱圈采用以臨時墩輔助拱上吊機懸臂架設的施工方案，施工便捷順利，有效節(jié)省了工期,取得了良好的預期效果。