210 m 下承式鋼箱提籃系桿拱橋總體設(shè)計(jì)

張志堅(jiān)，李 亮，田 卿

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

武漢市左岸大道（萬(wàn)家湖南路～小軍山）建設(shè)工程作為長(zhǎng)江主軸的重要組成部分，是以交通功能為主、兼具觀景、游憩綜合功能的濱水快速干道，線路全長(zhǎng)約6.54 km。線路整體沿長(zhǎng)江左岸展線，與在建的軌道交通16 號(hào)線基本平行，采用橋梁方式穿越長(zhǎng)江灘地，橋梁起終點(diǎn)采用路堤結(jié)合的方式與長(zhǎng)江堤防平交，橋梁全長(zhǎng)5.44 km。

通順河橋是全線控制線節(jié)點(diǎn)，跨越長(zhǎng)江一級(jí)支流通順河，位于河口附近，與河道斜交約46°，該河道有通航需求，見(jiàn)圖1。

圖1 通順河橋平面示意圖

2 建設(shè)條件

2.1 水文

武漢市長(zhǎng)江段洪水出現(xiàn)時(shí)間一般為5～10 月，較大洪水主要出現(xiàn)在6～9 月，7 月份最多。通順河的洪水一般均與長(zhǎng)江高水位遭遇。根據(jù)1990 年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《長(zhǎng)江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告》，與橋梁銜接的長(zhǎng)江堤防設(shè)計(jì)洪水位為28.23 ～28.42 m（1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同）。

2.2 地質(zhì)

覆蓋層：表層為雜填土（Qml）、素填土（Qml）和淤泥質(zhì)土（Ql），其下從淺部往深部依次為第四系全新統(tǒng)湖積成因（）的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沖積成因（）的粉質(zhì)黏土、砂土，上更新統(tǒng)沖洪積成因（Qal+pl3）黏性土和碎石土層和坡洪積成因（Qdl+pl）粉質(zhì)黏土、殘積成因（Qel）粉質(zhì)黏土。覆蓋層厚度約13～28 m。

基巖：下伏基巖巖性變化大、種類多，分別有白堊系- 第三系（K-E）粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r質(zhì)礫巖；三疊系大冶組（T1d）泥灰?guī)r、二疊系（P）炭質(zhì)灰?guī)r、石炭系（C）泥灰?guī)r、志留系（S2f）泥巖。

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路，雙向六車道；

（2）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

（3）設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)100 a；

（4）設(shè)計(jì)行車速度：60 km/h；

（5）橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度：5.5 m（人非混行道及護(hù)欄）+11.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+1.5 m（中分帶）+11.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+5.5 m（人非混行道及護(hù)欄）=36 m；

（6）設(shè)計(jì)洪水位：堤防設(shè)計(jì)水位28.42 m，1/100 設(shè)計(jì)水位28.06 m，1/300 設(shè)計(jì)水位28.84 m；

（7）通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河Ⅵ級(jí)航道，最高通航水位為25.02 m，最低通航水位為12.56 m；

（8）地震：地震基本烈度為6 度。

4 總體方案

4.1 跨徑布置

通順河橋跨徑布置主要由通航標(biāo)準(zhǔn)控制。通順河航道規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014），采用雙向通航孔，凈寬應(yīng)按不小于40 m控制。此外，考慮到擬建大橋軸線與上游在建的軌道交通16 號(hào)線跨越通順河橋梁軸線距離僅127.5 m，不滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于兩座相鄰水上過(guò)河建筑物的軸線間距要求，故擬建大橋通航孔布置，應(yīng)覆蓋軌道交通16 號(hào)線橋梁的可通航水域。軌道交通16號(hào)線跨通順河主跨為140 m，扣除墩柱及防撞設(shè)施寬度，凈跨徑為130 m，通航孔兩側(cè)橋墩沿橋軸線法線方向?qū)? m，橋梁斜交角度39°，則橋梁凈跨徑投影到垂直航道方向的通航水域?qū)挾葹椋?30×cos39°-8×sin39°=96 m。

按照通航水域?qū)挾炔恍∮?6 m 布置橋跨，同時(shí)考慮橋梁主跨宜一跨過(guò)河，避免基礎(chǔ)深水施工，將兩岸基礎(chǔ)盡量置于河道邊坡處，得到橋梁主跨約210 m。此時(shí)橋梁實(shí)際通航水域?qū)挾葹?09.8 m，滿足通順河航道單孔雙向通航孔所需的96 m 凈寬需求且略有富余，橋梁規(guī)模是合理的，見(jiàn)圖2。

圖2 通順河橋通航凈寬布置圖（單位：m）

4.2 橋型選擇

橋梁主跨210 m，適宜的橋型主要有拱橋、獨(dú)塔斜拉橋和獨(dú)塔自錨式懸索橋。

獨(dú)塔斜拉橋和獨(dú)塔自錨式懸索橋的優(yōu)點(diǎn)主要在于景觀效果較好，結(jié)構(gòu)高聳、挺拔，氣勢(shì)恢宏，但單位長(zhǎng)度經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一般高于拱橋，導(dǎo)致造價(jià)偏高。而拱橋線條亦非常優(yōu)美，且采用下承式結(jié)構(gòu)可不設(shè)配跨，橋長(zhǎng)更短，經(jīng)濟(jì)性上有明顯優(yōu)勢(shì)，故作為推薦方案。

4.3 總體布置

通順河橋布置為210 m 下承式鋼箱系桿拱橋，計(jì)算跨徑206 m，主拱采用提籃式鋼箱拱，主梁采用鋼混組合梁體系。橋梁結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部超靜定、外部簡(jiǎn)支，對(duì)基礎(chǔ)的要求相應(yīng)較低[1]。橋梁立面布置見(jiàn)圖3。

圖3 通順河橋立面布置圖（單位：m）

橋梁橫斷面整幅布置，人非車道懸挑于拱肋外側(cè)以保證整體景觀效果，則橋幅布置為：5.5 m（人非混行道）+3.6 m（結(jié)構(gòu)寬度）+11.75 m（行車道）+1.5 m（中央分隔帶）+11.75 m（行車道）+3.6 m（結(jié)構(gòu)寬度）+5.5 m（人非混行道）=43.2 m，見(jiàn)圖4。

圖4 通順河橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位：cm）

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 主拱

本橋橋面較寬，適合采用提籃式主拱。提籃拱相對(duì)于平行拱可達(dá)到更強(qiáng)的穩(wěn)定性、更短的橫撐及內(nèi)斂的景觀效果[2]。根據(jù)對(duì)既有提籃拱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，拱肋內(nèi)傾角度一般控制在3°～15°之間，10°左右為佳[3]。本橋拱肋內(nèi)傾取10°，通過(guò)5 道橫撐連成整體。主拱理論跨徑206 m，豎平面內(nèi)矢高f=45.5 m，矢跨比f(wàn)/L=1/4.527。鋼拱橋由于鋼材各向同性，對(duì)拱軸線要求不高[3]，經(jīng)試算，本橋拱軸線取二次拋物線。

拱肋采用變截面鋼箱拱，與鋼桁拱相比，具有鋼件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明快的特點(diǎn)[4]。拱肋截面形式采用單箱單室，截面尺寸由拱頂處的2.5 m×2.5 m（寬×高）漸變至拱腳處的2.5 m×4 m（寬×高），拱肋頂、底及腹板均采用板肋進(jìn)行縱向加勁。兩拱肋間設(shè)置5 道橫撐，橫撐亦采用鋼箱形截面。拱肋頂?shù)装寮案拱甯鶕?jù)受力情況進(jìn)行變厚度設(shè)計(jì)，變厚范圍介于20～40 mm。主拱材質(zhì)采用Q345qD。

5.2 主梁

主梁采用鋼混組合梁體系，由鋼縱、橫梁組成梁格體系，在其頂面布置剪力釘與預(yù)制鋼筋混凝土橋面板形成組合梁，組合梁截面中心梁高3.5 m，見(jiàn)圖5。鋼縱、橫梁體系構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確，便于后期維護(hù)[5]。相對(duì)于正交異性鋼橋面板，混凝土橋面板適應(yīng)性更強(qiáng)，避免了鋼橋面板與鋪裝層間防水、抗滑移、高溫穩(wěn)定等問(wèn)題，總體造價(jià)相對(duì)較低[6]。本橋主梁設(shè)計(jì)能確保在一對(duì)吊桿失效時(shí)橋面結(jié)構(gòu)可以正常工作，便于更換吊桿或支座。

圖5 吊桿處主梁斷面圖（單位：mm）

鋼梁部分由主縱梁（系梁）、中橫梁、端橫梁、小縱梁及挑臂組成雙主梁梁格體系，采用全焊鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345qD。

主縱梁（系梁）共設(shè)2 道，中心距29.906 m，布置于拱肋面內(nèi)。采用箱形截面，腹板內(nèi)傾10°與拱肋對(duì)齊，截面寬2.695 m、高2.962 m。主縱梁箱內(nèi)另布置柔性系桿索用于協(xié)助主縱梁平衡部分拱肋水平推力。柔性系桿索主要有鋼絞線系桿索和平行高強(qiáng)鋼絲索兩類。平行高強(qiáng)鋼絲索錨具需在工廠與索體預(yù)先連接，且實(shí)際索長(zhǎng)需考慮張拉變形，施工工藝復(fù)雜，下料長(zhǎng)度精度要求極高；而對(duì)于拱橋，系桿索并非懸于空中，基本不存在風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題，其動(dòng)應(yīng)力問(wèn)題沒(méi)有斜拉索問(wèn)題突出，故更多采用鋼絞線索[7]。本橋系桿索采用可換索式環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，錨固在主縱梁端部。每組系桿索由7 根工作索及1 根備用索組成，單根拉索型號(hào)為?s15.2-31，單根系桿索張拉控制力為3 667 kN。備用索在施工階段不穿索，僅作為運(yùn)營(yíng)階段換索儲(chǔ)備。

中橫梁順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為4 m，全橋共47 道。采用工字形截面，頂板設(shè)2%橫坡，底板變高，跨中梁高2.5 m，端部梁高2.962 m。

端橫梁設(shè)置于橋梁兩端，采用單箱四室箱形截面，頂板設(shè)2%橫坡，底板水平，跨中梁高3.23 m。端橫梁引橋側(cè)設(shè)牛腿支承引橋主梁。

橫梁間均勻布置5 道小縱梁，采用工字形截面，梁高0.45 m。

拱肋外側(cè)設(shè)置長(zhǎng)度為5.63 m 的挑臂，其面板布置人行道及非機(jī)動(dòng)車道。挑臂與橫梁位置一一對(duì)應(yīng)，端部梁高0.35 m，根部梁高1.2 m。

混凝土橋面板分塊預(yù)制，吊裝就位后現(xiàn)澆縱、橫向濕接縫形成整體。預(yù)制板厚26 cm，采用C50 混凝土；現(xiàn)澆濕接縫厚27 cm，采用微膨脹鋼纖維混凝土。鋼梁和鋼筋混凝土橋面板通過(guò)布置在濕接縫處的?22 剪力釘形成鋼混組合梁。

5.3 吊桿

吊桿采用環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，單根拉索型號(hào)為?s15.2-31，布置在拱肋面內(nèi)，全橋設(shè)46 對(duì)吊桿，順橋向布置間距8 m。吊桿拱端、梁端錨頭均為冷鑄錨，梁端張拉，兩端均設(shè)置球鉸以適應(yīng)吊桿微小轉(zhuǎn)角。

6 施工方案

鋼箱拱橋施工的關(guān)鍵工序是拱肋的現(xiàn)場(chǎng)拼裝。拱肋作為橋梁結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件，合龍后可為其余構(gòu)件的安裝提供支承。本橋?qū)︿撓涔袄叩膸追N常規(guī)施工方法進(jìn)行了比選，包括支架法、纜索吊懸臂拼裝法、大節(jié)段整體提升法、轉(zhuǎn)體法及頂推法[8]。

支架法原理最簡(jiǎn)單，但不能滿足本橋的通航需求。

纜索吊懸臂拼裝法屬于典型的結(jié)構(gòu)自架設(shè)施工方法，一般與斜拉扣掛法一并采用，以近似實(shí)現(xiàn)拱肋的無(wú)應(yīng)力拼裝，如武漢市江北快速路新河大橋[1]。但采用此方法施工相對(duì)工期較長(zhǎng)，且纜索吊裝及斜拉扣掛系統(tǒng)造價(jià)較高，不是本橋的最佳施工方案。

大節(jié)段整體提升法基本技術(shù)原理是“鋼絞線承載、計(jì)算機(jī)控制、液壓千斤頂集群作業(yè)”，在柳州官塘大橋施工中取得了較好的效果[9]。主拱大節(jié)段整體提升安裝具有拱肋安裝精度高、結(jié)構(gòu)整體性好、工期短、不影響通航、易于保證質(zhì)量、簡(jiǎn)化施工、風(fēng)險(xiǎn)小及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但該方法需要建設(shè)專用拼裝場(chǎng)，動(dòng)用特型船舶，要有保證船舶浮運(yùn)的水深，本橋沿長(zhǎng)江堤岸布置，橋位處水深不足以保證特型船舶浮運(yùn)的吃水深度，不適合采用此方法。

轉(zhuǎn)體法包括平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法及豎、平轉(zhuǎn)結(jié)合法，其原理是在非設(shè)計(jì)軸線位置拼裝成形后，轉(zhuǎn)盤將結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)到位的一種施工方法，如佛山東平大橋[10]。轉(zhuǎn)體法將橋跨的建造從不具備支架法施工地點(diǎn)移到岸上進(jìn)行，然后轉(zhuǎn)到橋軸線處合龍，具有節(jié)約施工材料、施工設(shè)備少、快速便捷，且不影響通航、不中斷通車等優(yōu)點(diǎn)，但本橋遠(yuǎn)離堤岸，施工期全線5.44 km 高架橋基礎(chǔ)均被淹沒(méi)，不具備支架施工條件，不適合采用此方法。

頂推法將鋼拱、鋼梁在岸上先期組拼為一體，利用頂推設(shè)備將鋼拱和鋼梁整體頂推就位，橋面板后期安裝，如杭州九堡大橋[11]。頂推法要求頂推前結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定體系，故一般適用于與本橋類似的帶有剛性系梁的梁拱組合體系，梁拱組合體系成型后增設(shè)少量臨時(shí)撐桿即可保證頂推過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對(duì)于本工程，大橋兩側(cè)有足夠長(zhǎng)的引橋可作為頂推拼裝平臺(tái)，與前述施工方法相比，頂推法采用的施工臨時(shí)措施少、造價(jià)低、工期短，故本橋經(jīng)綜合考慮后選擇采用頂推法施工，見(jiàn)圖6。

圖6 通順河橋頂推施工示意（單位：m）

本橋頂推法施工流程如下：

（1）永久墩、水中臨時(shí)墩、岸上頂推臨時(shí)墩、墩頂臨時(shí)支架施工；

（2）大樁號(hào)側(cè)搭設(shè)頂推拼裝平臺(tái)，在永久墩、臨時(shí)墩和臨時(shí)支架頂部安裝頂推裝置；

（3）分段吊裝拱梁節(jié)點(diǎn)、鋼主梁，鋼主梁焊拼合龍；

（4）在鋼主梁上安裝拱肋、橫撐拼裝支架；

（5）分段吊裝拱肋和橫撐，拱肋焊拼合龍；

（6）安裝頂推用前導(dǎo)梁，對(duì)拱梁體系整體進(jìn)行持續(xù)多點(diǎn)頂推；

（7）頂推就位，拆除前導(dǎo)梁；

（8）安裝并張拉部分吊桿；

（9）拆除主拱臨時(shí)撐桿，安裝并張拉剩余吊桿；

（10）拆除臨時(shí)墩和拼裝平臺(tái)；

（11）橋面鋪裝、護(hù)欄、欄桿等附屬結(jié)構(gòu)施工；

（12）根據(jù)監(jiān)控結(jié)果，對(duì)比成橋吊桿力理論值和實(shí)測(cè)值，調(diào)整吊桿力；

（13）橋梁動(dòng)、靜載試驗(yàn)，通車運(yùn)營(yíng)。

7 結(jié) 語(yǔ)

武漢市左岸大道通順河橋沿長(zhǎng)江左岸灘地順江布置，根據(jù)通航需求采用210 m 主跨，考慮經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)采用下承式鋼箱系桿拱橋，根據(jù)工程特點(diǎn)因地制宜選擇頂推法施工主體結(jié)構(gòu)。大橋主拱采用提籃式鋼箱拱，主梁采用“鋼縱橫格子梁+ 混凝土橋面板”式組合梁體系，主縱梁兼作剛性系梁，主縱梁箱內(nèi)設(shè)置鋼絞線柔性系桿索，結(jié)構(gòu)布置合理、受力明確，體現(xiàn)了橋梁力與美的結(jié)合。大橋預(yù)計(jì)2021 年底開(kāi)工建設(shè)。