中承式鋼管砼拱橋設(shè)計(jì)

張翔， 張立興

(1.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065；2.長(zhǎng)安大學(xué) 舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

鋼管砼拱橋外形優(yōu)美且較傳統(tǒng)圬工拱橋具有更大的跨越能力。隨著跨徑的增大和公路等級(jí)的提高，桁式拱肋因其較好的縱、橫向抗彎剛度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到青睞。然而拱肋本身的穩(wěn)定性和強(qiáng)健性僅是結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性的一部分。中國(guó)鋼管砼拱橋發(fā)展過(guò)程中，因強(qiáng)健性重視不夠產(chǎn)生了一系列不良后果。GB 50923—2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》要求鋼管砼拱橋的吊桿與系桿索必須具有可檢查、可更換的構(gòu)造與措施，中承式和下承式拱橋的懸吊橋面系應(yīng)采用整體性結(jié)構(gòu)，以橫梁受力為主的懸吊橋面系必須設(shè)置加勁縱梁，并具有一根橫梁兩端相對(duì)應(yīng)的吊索失效后不落梁的能力。可見(jiàn)橋面系的整體化、連續(xù)化、輕型化是拱橋的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。該文以廣西南寧市武鳴河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究中承式鋼管砼拱橋設(shè)計(jì)。

1 工程概況

武鳴河大橋位于廣西南寧市武鳴區(qū)，為天峨—北海公路平果至南寧段高速公路的重點(diǎn)控制工程，跨徑布置為1-140 m(中承式鋼管砼拱橋)，橋梁全長(zhǎng)立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 武鳴河大橋立面布置(單位：標(biāo)高為m，其他為cm)

橋位處與河流流向呈右偏120°斜交，最大橋高18.5 m。橋址區(qū)河道較彎曲，河岸規(guī)則，水面寬度約65 m，水流速度平緩。武鳴河流域?qū)倌蟻啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，橋址處設(shè)計(jì)最高通航水位82.13 m，最低通航水位75.76 m，設(shè)計(jì)洪水位89.05 m。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)近年已建類似跨徑鋼管砼拱橋的截面形式和尺寸見(jiàn)表1。通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定該橋設(shè)計(jì)方案如下：主橋計(jì)算跨徑135 m，采用懸鏈線作為拱軸線，拱軸系數(shù)取1.543，計(jì)算矢高為32.143 m，矢跨比1/4.2。拱圈分左右兩幅拱肋，單幅拱肋為四肢桁式鋼管砼截面，橫橋向拱肋相互平行，兩幅拱肋間中心距19.35 m。

表1 拱肋截面統(tǒng)計(jì)

2.2 拱肋

拱肋采用等截面設(shè)計(jì)，斷面高3.2 m，橫向?qū)?.8 m。單幅拱肋由4根φ750×16 mm鋼管組成，拱肋上下弦鋼管由腹桿相連，腹桿采用φ402×12 mm鋼管。橫橋向弦管之間通過(guò)橫聯(lián)連接，平聯(lián)采用φ500×12 mm鋼管，其中吊桿處平聯(lián)采用φ500×16 mm鋼管(見(jiàn)圖2)。主管內(nèi)均灌注C50自密實(shí)微膨脹砼，拱肋砼從拱腳到拱頂一次性連續(xù)泵送頂升，并采用真空輔助灌漿技術(shù)，抽走主弦管內(nèi)的空氣和砼當(dāng)中的氣泡，減少管內(nèi)砼脫黏現(xiàn)象。為降低拱肋吊裝施工難度，保證工程質(zhì)量，拱肋節(jié)段拼接處采用雙腹桿設(shè)計(jì)。

圖2 拱肋一般構(gòu)造圖(單位：mm)

2.3 拱腳

主拱與拱座的連接是拱橋的關(guān)鍵部位。該橋拱腳段上下弦鋼管插入拱座預(yù)埋，預(yù)埋管與主拱節(jié)段采用焊接對(duì)接接頭。主管預(yù)埋深度1.5 m，預(yù)埋鋼管底部設(shè)承壓板，下設(shè)4層鋼筋網(wǎng)片。在預(yù)埋段鋼管周邊設(shè)螺旋鋼筋加強(qiáng)錨固，承壓板與鋼管外側(cè)設(shè)置加勁板(見(jiàn)圖3)。

圖3 拱腳預(yù)埋件(單位：mm)

主拱施工中，為便于主拱圈在吊裝中調(diào)整標(biāo)高和線形，在主拱肋合龍前，拱腳為臨時(shí)鉸連接，臨時(shí)鉸采用轉(zhuǎn)軸鉸。主拱肋合龍完成后，澆筑拱座預(yù)留槽砼，封固拱腳臨時(shí)鉸。

2.4 拱上橫梁和橫撐

全橋共設(shè)6道K字撐，2道拱上橫梁。橫撐間距為20 m，橫撐平聯(lián)采用φ600×16和φ500×16 mm鋼管，豎撐采用φ299×12 mm鋼管。拱上橫梁采用三角桁架形式(見(jiàn)圖4)，拱上橫梁平聯(lián)采用φ500×20和φ500×16 mm鋼管，并在上平聯(lián)內(nèi)灌注C50砼，保證拱上橫梁局部承壓穩(wěn)定。該處腹桿采用φ500×20 mm鋼管，并灌注C50砼，加強(qiáng)主拱肋與拱上橫梁相交處剛度。在主拱肋施工中，拱上橫梁充當(dāng)橫撐作用，成橋后傳遞橋面系及車輛荷載。

圖4 拱上橫梁設(shè)計(jì)(單位：mm)

2.5 橋面系設(shè)計(jì)

中國(guó)中承式、下承式鋼管砼拱橋通常采用懸吊式橋面系，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為三類，其構(gòu)造、受力特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 懸吊式橋面系分類

第三類橋面系橫梁之間無(wú)加勁縱梁，一旦斷索，極易發(fā)生橫梁橋面板落梁現(xiàn)象，強(qiáng)健性較差。隨著對(duì)橋面系強(qiáng)健性的深入研究，當(dāng)采用以橫梁受力為主的橋面系時(shí)，多采用第二類橋面系。第一類橋面系為整體性結(jié)構(gòu)，近年來(lái)逐漸被廣泛應(yīng)用。該橋橋面系采用鋼-砼組合梁、組合橋面結(jié)構(gòu)，組合梁為鋼格子梁，主、次縱橫梁均采用工字形截面(見(jiàn)圖5)。格子梁上滿鋪8 mm厚鋼板，通過(guò)焊接在鋼板上的PBL剪力鍵與砼錨固連接，形成總厚度19 cm的橋面板，再鋪裝10 cm厚瀝青砼，在水泥砼和瀝青砼之間設(shè)置防水層。橋面板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6、圖7。

圖5 橋面系格子梁的一般構(gòu)造

圖6 橋面板的橫向布置

圖7 橋面板的縱向布置

2.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆探地質(zhì)資料，該橋拱座基礎(chǔ)位于強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r上，地基基本承載力為1 500～2 000 kPa，巖層坡面平緩，且小樁號(hào)側(cè)存在地裂縫。綜合考慮地形、地質(zhì)情況，拱座基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)與基底的摩擦力平衡主拱肋的側(cè)向水平推力，拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成臺(tái)階式，與巖層緊密貼合。基礎(chǔ)尺寸橫向23.15 m，縱向長(zhǎng)18 m，高13 m。

3 靜力分析

3.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立三維桿系計(jì)算模型(見(jiàn)圖8)，模型共1 274個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 590個(gè)單元。鋼管砼、格子梁采用聯(lián)合截面模擬，吊桿采用桁架單元模擬，其余單元采用梁?jiǎn)卧M。

圖8 橋梁有限元模型

3.2 特征值計(jì)算

根據(jù)JTG/T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》，拱肋所形成的結(jié)構(gòu)體系需驗(yàn)算其穩(wěn)定性。該橋穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3，滿足規(guī)范要求。

表3 橋梁穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

3.3 拱肋承載能力驗(yàn)算

承載能力極限狀態(tài)下拱肋控制截面內(nèi)力及抗荷比見(jiàn)表4、表5。拱肋截面最小抗荷比產(chǎn)生于拱頂，為1.49，滿足規(guī)范要求。

表4 拱肋截面內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

表5 拱肋截面抗荷比

3.4 拱肋應(yīng)力驗(yàn)算

分別計(jì)算持久狀況荷載組合下拱肋控制截面應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 持久狀況下拱肋弦桿應(yīng)力值 MPa

根據(jù)JTG/T D65-06—2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》，拱肋采用Q345qC鋼材，厚度16 mm Q345qC鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y為345 MPa。鋼管應(yīng)力均小于0.8fy=276 MPa，砼應(yīng)力小于(K1/K2)fck=33.23 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.5 撓度驗(yàn)算

主拱、橋面系在短期效應(yīng)組合下消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度見(jiàn)圖9、圖10。主拱在短期效應(yīng)組合下消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度為0.118 m

圖9 拱肋撓度曲線

圖10 橋面系撓度曲線

4 結(jié)語(yǔ)

武鳴河大橋主拱計(jì)算跨徑135 m，主拱采用懸鏈線形，拱肋采用四肢桁式斷面，拱肋截面徑向高3.2 m、橫向?qū)?.8 m。拱上橫梁采用三角桁式斷面，橋面系采用鋼-砼組合梁、組合板結(jié)構(gòu)。主拱肋采用雙腹桿設(shè)計(jì)，橋面系采用強(qiáng)健性較好的整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力可靠。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可為同類橋梁設(shè)計(jì)、計(jì)算提供參考。