主跨120 m 下承式鋼管混凝土系桿拱的設(shè)計(jì)與施工

■蔣 義

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019）

下承式鋼管混凝土系桿拱外形美觀，拱肋、吊桿、系桿的組合具有結(jié)構(gòu)自重輕型、跨越能力強(qiáng)、建筑高度低等特點(diǎn)，但系桿拱缺點(diǎn)也較為凸出，橋梁運(yùn)行期結(jié)構(gòu)病害較多，吊桿養(yǎng)護(hù)更換、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差等，嚴(yán)重影響行車的舒適性與安全性。 因此， 減少系桿拱橋梁病害的產(chǎn)生對于橋梁設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)管理工作者是一項(xiàng)非常重要的工作。 為提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能， 本研究針在設(shè)計(jì)階段提出采用4 道K 型風(fēng)撐加一道1 字型風(fēng)撐組合形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究， 同時(shí)對各構(gòu)件安全性進(jìn)行了驗(yàn)算。

1 工程簡介

新建大橋起點(diǎn)樁號為K0+000，路線由西向東，上跨京杭運(yùn)河(內(nèi)河限制性Ⅲ級90×7 m)航道，終點(diǎn)與村道相接， 終點(diǎn)樁號為K1+540， 路線全長1.54 km，橋長440 m，本橋平面位于直線上，縱斷面采用2.5%雙向縱坡，橫斷面采用2%雙向橫坡,橋梁跨徑為（13×20+120.0+3×20）m。 本項(xiàng)目建設(shè)對于解決運(yùn)河兩岸居民出行、完善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)區(qū)域溝通具有重要的意義，橋梁荷載等級：公路Ⅰ級，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h,橋梁寬度為10.5 m。

2 結(jié)構(gòu)概述

京杭運(yùn)河大橋主跨為下承式鋼管砼系桿拱橋，采用柔性吊桿， 系桿軸線為R=4 000 m 的圓曲線，拱肋軸線方程為f=4fx(L-x)/L2，計(jì)算跨徑L=120 m，計(jì)算矢高f=24 m，矢跨比為1∶5。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，截面高2.4 m；拱肋鋼管外徑1.0 m，鋼管壁厚16 mm，內(nèi)充C50 微膨脹混凝土；拱肋腹腔壁厚16 mm，內(nèi)充C50 微膨脹混凝土。 全橋橫向設(shè)置一字型風(fēng)撐3 道，K 型撐2 道， 橫向風(fēng)撐鋼管壁厚10 mm； 吊桿索體采用1 860 MPa 級15 根Φs15.2 mm 環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線纏包后熱擠PDHE，橋面以上2 m 高度外包不銹鋼套管，共設(shè)吊桿22 對，吊桿間距5.1 m；系梁采用實(shí)心截面，系桿截面梁高2.2 m，寬1.4 m，拱腳段系梁加厚至梁高3.8 cm，寬1.8 m；端橫梁采用箱型斷面，支點(diǎn)處高1.98～2.06 m，寬2.5 m；中橫梁高為1.1～1.184 m，寬0.9 m；橋面2%雙向橫坡由橫梁兩端安裝高度的變化進(jìn)行調(diào)整；系梁和橫梁均為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；拱腳設(shè)計(jì)勁性骨架。

每根系梁內(nèi)設(shè)永久預(yù)應(yīng)力束（體內(nèi)束）16 束，單束鋼絞線15Φs15.2 mm， 端橫梁每根布設(shè)6 束10Φs15.2 mm 鋼絞線， 中橫梁每根布設(shè)4 束7Φs15.2 mm 鋼絞線，兩端張拉每束鋼絞線的張拉控制應(yīng)力均為1 395 MPa。

主橋行車道板采用17 cm 現(xiàn)澆疊合板+18 cm預(yù)制板拼裝先簡支后連續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)制中板寬99.5 cm， 預(yù)制邊板寬119 cm， 現(xiàn)澆鉸縫寬1.0 cm。 現(xiàn)澆疊合板上設(shè)置防水層，然后再鋪10 cm瀝青混凝土。 橋梁立面圖見圖1。

圖1 橋梁立面圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載與組合

主橋系梁、端橫梁、中橫梁按A 類預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件設(shè)計(jì)，其他構(gòu)件按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)[1]。

3.1 計(jì)算荷載

（1）一期恒載：按實(shí)際結(jié)構(gòu)自重取值,鋼材容重78.5 kN/m3混凝土容重26 kN/m3。 （2）二期恒載：橋面鋪裝16.8 kN/m，防撞護(hù)欄10 kN/m。 （3）汽車荷載:汽車荷載按公路I 級。（4）拱肋、吊桿、系梁、護(hù)欄考慮風(fēng)荷載：1/100（無車）和橋面風(fēng)速25 m/s（有車）兩種工況參與荷載組合[2]。

3.2 材料參數(shù)

混凝土：C50 混凝土（用于主拱、系梁、橫梁），主要力學(xué)性能指標(biāo): （1）材料:C50 混凝土；（2）彈性模量:Ec=3.45×104MPa；（3）混凝土軸心抗壓、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值: fck= 32.4 MPa、 ftk=2.65 MPa；（4）混凝土軸心抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:fcd=22.4 MPa、ftd=1.83 MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼材：吊桿、系梁、橫梁及引橋上構(gòu)預(yù)應(yīng)力采用φ15.2 mm 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線， 其主要力學(xué)性能指標(biāo)：（1）材料:預(yù)應(yīng)力鋼絞線；（2）彈性模量: Ec=1.95×105MPa；（3）預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值: fpk=1860 MPa、ftd=1260 MPa。

3.3 荷載組合

針對不同的極限狀態(tài)組合進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算時(shí)，各個(gè)荷載作用的組合分項(xiàng)系數(shù)按JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]取值。

4 結(jié)構(gòu)空間靜力計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)模型

主橋結(jié)構(gòu)總體靜力計(jì)算采用Miads Civil 2015程序[4]建立空間桿系模型。 拱肋、風(fēng)撐、系梁、橫梁采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬,按實(shí)際支座情況加上邊界條件。 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.2 計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主橋成橋階段內(nèi)力測算

成橋狀態(tài)下主橋拱肋、 系桿軸力圖見圖3；拱肋、系桿剪力圖見圖4；拱肋、系桿彎矩圖見圖5；拱肋、系桿彎矩圖見圖6。

圖3 成橋狀態(tài)下主橋拱肋、系桿軸力圖

圖4 成橋狀態(tài)下主橋拱肋、系桿剪力圖

圖5 成橋狀態(tài)下主橋拱肋、系桿彎矩圖

圖6 成橋狀態(tài)下主橋吊桿軸力圖

4.2.2 主橋拱肋承載力驗(yàn)算

基本組合作用下主橋拱肋軸力包絡(luò)圖見圖7；拱肋剪力包絡(luò)圖見圖8；拱肋彎矩包絡(luò)圖見圖9。

圖8 基本組合作用主橋下拱肋剪力包絡(luò)圖

圖9 基本組合作用下主橋拱肋彎矩包絡(luò)圖

根據(jù)JTG D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.3.2 條[5]，啞鈴型拱肋按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算其承載力時(shí)，應(yīng)滿足：

經(jīng)計(jì)算，fsc=63.54 MPa，Asc=0.7854 m2，Kp=0.956，Kd=0.95，拱肋的承載能力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 主橋拱肋承載能力計(jì)算結(jié)果

4.2.3 主橋系梁抗裂驗(yàn)算

短期組合作用下主橋系梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖10；系梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖11。

圖10 短期組合作用下主橋系梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖11 短期組合作用下主橋系梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，混凝土系梁按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，短期組合下系梁上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.2.4 主橋系梁壓應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋系梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖12； 系梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖13。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋系梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

圖13 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋系梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下系梁上緣最大壓應(yīng)力為-15.8 MPa， 下緣最大壓應(yīng)力為-12.9 MPa，小于規(guī)范限值16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.5 主橋中橫梁抗裂驗(yàn)算

短期組合作用下主橋中橫梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖14； 橫梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖15。

圖14 短期組合作用下主橋中橫梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖15 短期組合作用下主橋中橫梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，混凝土中橫梁按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)，短期組合下中橫梁上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.2.6 主橋中橫梁壓應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋中橫梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖16； 橫梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖17。

圖16 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋中橫梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

圖17 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋中橫梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下中橫梁上緣最大壓應(yīng)力為-8.6 MPa， 下緣最大壓應(yīng)力為-11.8 MPa，小于規(guī)范限值16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.7 主橋端橫梁抗裂驗(yàn)算

短期組合作用下主橋端橫梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖18； 橫梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖19。

圖18 短期組合作用下主橋端橫梁上緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖19 短期組合作用下主橋端橫梁下緣最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，混凝土中橫梁按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)，短期組合下中橫梁上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4.2.8 主橋端橫梁壓應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主橋中橫梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖20； 橫梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖見圖21。

圖20 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋端橫梁上緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

圖21 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主橋端橫梁下緣最大壓應(yīng)力包絡(luò)圖

由上述結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下中橫梁上緣最大壓應(yīng)力為-3.5 MPa， 下緣最大壓應(yīng)力為-5.1 MPa，小于規(guī)范限值16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.9 吊桿計(jì)算

依據(jù)JTG-T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，運(yùn)營狀態(tài)下吊桿的安全系數(shù)應(yīng)不小于2.5。

圖22 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下吊桿最大拉力

4.2.10 主橋結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

活載作用下主梁拱肋豎向最大撓度見圖23；拱肋豎向最小撓度見圖24；橋面系豎向最大撓度見圖25；橋面系豎向最小撓度見圖26。

圖23 活載作用下主梁拱肋豎向最大撓度

圖24 活載作用下主梁拱肋豎向最小撓度

圖25 活載作用下橋面系豎向最大撓度

圖26 活載作用下橋面系豎向最小撓度

由上述結(jié)果可知，汽車活載產(chǎn)生的拱肋最大豎向位移為4.5 cm

4.2.11 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析[6]

成橋階段考慮恒載及活載作用，計(jì)算求得結(jié)構(gòu)前3 階失穩(wěn)模態(tài)見圖27～29。

圖27 成橋階段一階失穩(wěn)模態(tài)

圖28 成橋階段二階失穩(wěn)模態(tài)

圖29 成橋階段三階失穩(wěn)模態(tài)

由上述結(jié)果可知，前3 階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋橫橋向的反對稱、 對稱彎扭失穩(wěn)， 一階穩(wěn)定系數(shù)為4.4，滿足規(guī)范穩(wěn)定系數(shù)大于4 的要求。

5 施工方案

主橋上部結(jié)構(gòu)采用少支架施工方案，施工期間預(yù)留通航孔確保航道的正常通行。 具體施工步驟如下：

（1）澆筑主墩灌注樁，現(xiàn)澆承臺(tái)、立柱、蓋梁、安裝主橋支座， 調(diào)整好支座高度并注意支座滑動(dòng)方向，保證支座水平，并在同一平面上。 施工支架的臨時(shí)防撞鋼管墩見圖30。

圖30 主橋施工流程示意圖

（2）搭設(shè)系桿、橫梁支架。 搭設(shè)支架預(yù)留2 個(gè)通航孔,通航孔凈空滿足要求，支架兩側(cè)應(yīng)設(shè)置鋼管防撞墩以及信號設(shè)施，支架要求足夠牢固，并通過超載預(yù)壓以滿足施工要求。 在支架上現(xiàn)澆4 個(gè)拱腳及兩根端橫梁。 待現(xiàn)澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，吊裝預(yù)制好的系梁預(yù)制節(jié)段，現(xiàn)澆系桿接頭砼。 拼裝中橫梁，并澆注中橫梁現(xiàn)澆接頭。 待現(xiàn)澆接頭混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，張拉系梁部分預(yù)應(yīng)力束，然后張拉橫梁部分預(yù)應(yīng)力束灌漿封錨（圖31）。

圖31 主橋施工流程示意圖

（3）搭設(shè)拱肋安裝支架，要求滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。 鋼管拱肋節(jié)段從工廠運(yùn)至工地，分段安裝鋼管拱肋，鋼管拱拼裝后安裝拱肋間的風(fēng)撐。 泵送法灌注拱肋鋼管內(nèi)混凝土，灌注順序?yàn)椋合认落摴?，然后上鋼?最后腹腔,見圖32。

圖32 主橋施工流程示意圖

（4）待鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,拆除拱肋支架,對稱安設(shè)各吊桿，并對吊桿進(jìn)行初步收緊。進(jìn)行吊桿第1 次張拉， 張拉力為每根270 kN;張拉要求以跨中為對稱進(jìn)行， 并不斷調(diào)整其索力，使每根吊桿張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保持吊桿索力均衡。 安裝預(yù)制橋面板。 張拉系梁的部分預(yù)應(yīng)力束，張拉橫梁部分預(yù)應(yīng)力束，灌漿封錨。 進(jìn)行吊桿的第2 次張拉，每根吊桿的張拉力為540 kN，張拉順序同第1 次張拉。 現(xiàn)澆護(hù)欄，澆注橋面板鉸縫及現(xiàn)澆接頭，鋪筑橋面現(xiàn)澆疊合板及瀝青橋面鋪裝。進(jìn)行吊桿第3 次張拉，吊桿張拉力為790 kN，對各吊桿索力進(jìn)行檢測, 滿足設(shè)計(jì)要求方可灌漿封錨,見圖33。

圖33 主橋施工流程示意圖

（5）檢查吊桿索力，要求與成橋吊桿索力誤差不大于5%。吊桿兩端進(jìn)行灌漿以及澆筑封端砼。拆除橋面下臨時(shí)支架及鋼管防撞墩。 安裝伸縮縫，完成全橋施工,見圖34。

圖34 主橋施工流程示意圖

6 結(jié)論

本研究下承式鋼管混凝土采用4 道K 型風(fēng)撐加一道1 字型風(fēng)撐組合形式，前3 階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋橫橋向的反對稱、對稱彎扭失穩(wěn)，一階穩(wěn)定系數(shù)為4.4＞4，滿足規(guī)范穩(wěn)定系數(shù)要求。 相比全部采用1 字型風(fēng)撐結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性顯著提高。 施工期需確保鋼管混凝土填充密實(shí)， 增強(qiáng)鋼管混凝土的強(qiáng)度。 拱橋吊桿容易疲勞破壞，應(yīng)加強(qiáng)后期管養(yǎng)工作，對損傷吊桿及時(shí)更換。 本研究下承式鋼管混凝土設(shè)計(jì)分析可以作為同類橋梁借鑒與參考，希望能給同類橋梁的建設(shè)提供一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。