某特大跨徑鋼管混凝土拱橋總體設(shè)計(jì)

秦 波，趙 玄，劉朝暉，劉雪松，王宏貴，黃列夫

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

0 前 言

鋼管混凝土拱橋除具有優(yōu)越的拱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能外，也是一個(gè)最佳的鋼-混組合結(jié)構(gòu)。鋼管因管內(nèi)混凝土的支撐，提高了抗局部屈曲能力，混凝土因鋼管的套箍作用，增大了韌性和強(qiáng)度。這樣一種最佳材料組合的理想結(jié)構(gòu)橋梁，由于受力合理、施工方便、跨越能力大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在全國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，全國(guó)跨徑大于50m的鋼管混凝土拱橋超過(guò)了400座［1］。

該研究以某特大橋?yàn)楸尘埃治鎏接懱卮罂鐝戒摴芑炷凉皹蚩傮w設(shè)計(jì)中具體問題與要點(diǎn)。

1 工程概況

某特大橋是一座橫跨大型流域的公路／市政景觀特大型橋梁。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下——

道路等級(jí)：城市主干路／一級(jí)公路；

設(shè)計(jì)速度：60km／h；

汽車荷載：城-A級(jí)設(shè)計(jì)，按公路-Ⅰ級(jí)驗(yàn)算；

人群荷載：3.5kN／m2；

行車道數(shù)：雙向6車道＋非機(jī)動(dòng)車道＋人行道；

通航等級(jí)：內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，最小通航凈空為130m×18.0m（凈寬×凈高）。

2 橋式選擇

2.1 孔跨布置及橋長(zhǎng)

建設(shè)方案必須充分考慮現(xiàn)實(shí)條件，因地制宜，解決好施工可行及便利性、滿足防洪及通航要求、滿足交通功能、環(huán)保、景觀性較好的問題。結(jié)合本項(xiàng)目建設(shè)條件，對(duì)本橋孔跨布置產(chǎn)生制約的有兩大條件，即本橋址通航要求及國(guó)家級(jí)珍稀魚類保護(hù)區(qū)要求。

一是受通航要求限制，橋位處為內(nèi)河Ⅲ-（3）級(jí)航道，最小通航凈寬130m，最小通航凈高18.0m，考慮到斜交角度、橫向流速等因素，參考下游3.3km處既有大橋，主跨需按不小于230m考慮。二是該處為國(guó)家級(jí)珍稀魚類保護(hù)區(qū)，根據(jù)魚評(píng)要求，跨江橋梁橋墩宜布置于十年一遇水位線以上，橋位十年一遇水面寬度約396m，考慮結(jié)構(gòu)尺寸及施工因素，主橋跨徑不宜小于410m。綜合考慮，主橋橋跨主要受魚評(píng)要求控制，故推薦采用單跨410m一跨過(guò)江方案。

橋梁長(zhǎng)度受兩岸相交道線位及行車凈空控制，兩岸相交道路基外側(cè)間距約625m，本橋與兩個(gè)城市道路立體交叉，引橋上跨兩岸相交道后順接引道，橋梁全長(zhǎng)約648m。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇

橋梁結(jié)構(gòu)的確定首先主要由橋跨大小決定，其次與橋下通航凈空等有關(guān)，再者還與橋位現(xiàn)狀建設(shè)條件及施工工藝相關(guān)。

主跨對(duì)橋型方案起決定性作用，鑒于魚評(píng)要求，本橋推薦采用一跨過(guò)江方案，主跨約410m。連續(xù)剛構(gòu)橋跨度在200～300m之間，目前世界最大跨度為330m，無(wú)法一跨過(guò)江，故連續(xù)剛構(gòu)橋不適合本橋位；斜拉橋有邊中跨比限制，邊中跨比通常取0.3～0.5，若一跨過(guò)江，本橋位邊跨沒有布置空間，邊跨最大可布置長(zhǎng)度約55m，邊中跨比為0.13，不滿足斜拉橋受力體系要求，若水中布墩，則不能滿足魚評(píng)要求，故斜拉橋也不適合本橋位；因此，適合本橋位條件的主要有懸索橋和拱橋方案，從景觀、經(jīng)濟(jì)性等角度分析比較推薦采用拱橋方案。

綜合考慮橋面高度及橋位地形條件，橋梁結(jié)構(gòu)形式采用中承式鋼管混凝土拱橋，橋型橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋型布置示意（單位：尺寸，mm；標(biāo)高，m）

3 鋼管混凝土主拱設(shè)計(jì)

3.1 拱軸線選型

在拱橋的設(shè)計(jì)中，拱軸線的選取決定著主拱的內(nèi)力分布，影響著拱橋的施工安全性、結(jié)構(gòu)耐久性、經(jīng)濟(jì)合理性等指標(biāo)，因此選擇合理的拱軸線是拱橋設(shè)計(jì)中最重要的工作之一。最理想的拱軸線是與拱上各種荷載作用下的拱圈壓力線相吻合的拱軸線，這時(shí)主拱截面上將只有軸向壓力，而無(wú)彎矩及剪力作用，能夠充分利用材料性能。但是在橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況中，拱橋不僅受到恒載的作用，還會(huì)受溫度、收縮徐變及活載的影響，使得很難實(shí)現(xiàn)拱軸線和壓力線的始終吻合［2］，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常以“主拱彎矩盡可能的小”作為合理拱軸線的選取標(biāo)準(zhǔn)。常見的拱軸線類型有圓曲線、拋物線、懸鏈線等。對(duì)于鋼管混凝土拱橋而言，其拱圈自重較小，一般選取較小拱軸系數(shù)的懸鏈線。目前國(guó)內(nèi)已建成或在建的大跨鋼管混凝土拱橋的拱軸系數(shù)和矢跨比如表1所示。

表1 部分大跨徑鋼管混凝土拱橋拱軸

分析國(guó)內(nèi)已建成的400m以上鋼管混凝土拱橋，其矢跨比選取一般在1／4～1／5之間，拱軸系數(shù)選取在1.30～1.50之間，因此，以此為篩選范圍，通過(guò)對(duì)比不同拱軸系數(shù)下主拱受力情況，從而確定合理的拱軸線形。

《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］中的鋼管混凝土構(gòu)件單管承壓承載力計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：φl(shuí)為長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù)；φe為彎矩折減系數(shù)；Kp為鋼管初應(yīng)力折減系數(shù)；Kd為混凝土脫空折減系數(shù)?？梢钥闯觯摴芑炷翗?gòu)件的承載能力于其所受彎矩和鋼管內(nèi)初應(yīng)力大小有著直接的關(guān)系。

圖2和圖3給出了隨著拱軸系數(shù)的增大，主拱上下弦桿中的最不利內(nèi)力變化和安全系數(shù)的變化?？梢钥闯鲭S著拱軸系數(shù)的增大，上下弦桿中的彎矩均呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，與之對(duì)應(yīng)的，上下弦桿的最小安全系數(shù)也出現(xiàn)了先增加后減小的規(guī)律。從圖3可以看出，當(dāng)拱軸系數(shù)小于1.68時(shí)，整體弦桿最小安全系數(shù)取決于下弦桿，且在拱軸系數(shù)為1.45附近時(shí)達(dá)到最大值，因此結(jié)合相關(guān)已有工程及計(jì)算結(jié)果，最終選取矢跨比1／4，拱軸系數(shù)1.45的拱軸線型。

圖2 弦桿最不利內(nèi)力及初應(yīng)力示意

圖3 弦桿安全系數(shù)變化

3.2 主拱斷面及結(jié)構(gòu)形式

鋼管混凝土拱橋常用的斷面形式有單圓管、啞鈴型及桁式拱肋等幾種，單圓管和啞鈴型拱肋常用于跨徑小于120m以下的橋梁，對(duì)于跨徑超過(guò)120m的鋼管混凝土拱橋，其拱肋形式常采用桁式拱肋，跨徑超過(guò)300m后，基本上都采用變截面桁式拱肋。

關(guān)于拱肋高度的確定，《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，如式（2）所示：

變截面桁式主拱，拱腳截面高宜取1．4H～1.6H，拱頂截面高宜取0．6H～0．9H，參考此公式，本橋的拱肋高度取值范圍為拱腳12.6～14.4m，拱頂5.4～8.1m。

綜合對(duì)比同等跨徑中承式鋼管混凝土拱橋截面高度，選定截面高度取值范圍為拱腳13.0～14.5m，拱頂5.5～8.0m。在該范圍內(nèi)綜合對(duì)比不同截面高度取值的主拱受力情況，從而確定合理的拱頂和拱腳截面高度。

如圖4和圖5所示，當(dāng)拱腳在13.0～14.5m范圍內(nèi)變化時(shí)，主拱弦桿最小安全系數(shù)取決于下弦桿的最小安全系數(shù)，且隨著拱腳高度的增大而變小，因此在取值范圍內(nèi)，拱腳高度13.0m最為合適。

圖4 弦桿最不利內(nèi)力及初應(yīng)力示意

圖5 弦桿安全系數(shù)變化

如圖6～7所示，當(dāng)拱頂高度在5.5～6.7m的范圍內(nèi)變化時(shí)，主拱弦桿安全系數(shù)取決于上弦桿最小安全系數(shù)，拱頂高度超過(guò)6.7m后，主拱弦桿安全系數(shù)取決于下弦桿最小安全系數(shù)，整體弦桿安全系數(shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在7.0m附近為最大，因此在取值范圍內(nèi)，拱頂高度7.0m最為合適。

圖6 弦桿最不利內(nèi)力及初應(yīng)力示意

根據(jù)上述分析結(jié)果，確定的合理主拱截面為：拱腳截面高13m，拱頂截面高7m；拱肋寬度取3.5m，拱肋弦桿直徑取1.4m；上弦桿選用30mm和24mm 2種壁厚，下弦桿采用34mm、30mm、28mm、24mm共4種壁厚，從拱腳至拱頂變厚。主拱弦桿之間通過(guò)平聯(lián)、豎向腹桿及斜向腹桿連接。拱肋截面如圖8所示。

圖7 弦桿安全系數(shù)變化

圖8 拱肋截面示意（單位：mm）

3.3 橫撐形式及布置

在鋼管混凝土拱橋中，橫撐是維持其橫向穩(wěn)定性的重要構(gòu)件，目前常用的橫撐形式有K撐、X撐和L形撐等，如圖9～11所示。

圖9 K撐示意

圖10 X撐示意

圖11 L形撐

項(xiàng)目對(duì)比了這幾種常見橫撐的穩(wěn)定性，如表2所示?？梢钥闯?，在相同的布置方式下X撐穩(wěn)定性最高，K撐其次，L形撐最差。

表2 不同橫撐穩(wěn)定系數(shù)

但除橫撐形式外橫撐的布置位置對(duì)鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性也有著比較重要的影響，由于為了保證右岸橋面上有足夠的凈高，采用K撐和X撐時(shí)，在拱梁交接段一定范圍內(nèi)無(wú)法設(shè)置橫撐，存在較長(zhǎng)的自由長(zhǎng)度，導(dǎo)致這里是穩(wěn)定的薄弱點(diǎn)，如圖12所示。

圖12 X撐布置立面示意

L形撐僅需要在上弦桿處布置斜撐，因此在拱梁交接段也可以布置一道橫撐，如圖13所示。采用新的布置方式后穩(wěn)定分析結(jié)果如圖14所示，可以看出，增加的一道橫撐將穩(wěn)定系數(shù)由4.481提升到了5.838，大于設(shè)置K撐和X撐時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)。因此，本項(xiàng)目選用L形橫撐。

圖13 L撐布置平面示意

圖14 穩(wěn)定分析結(jié)果

4 主梁結(jié)構(gòu)及橋面板形式

鋼管混凝土拱橋主梁形式眾多，目前《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定中承式和下承式鋼管混凝土拱橋必須采用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，橋面梁可采用鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼或鋼-混組合等結(jié)構(gòu)，對(duì)于跨徑大于300m的鋼管混凝土拱橋，宜采用鋼或鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面梁。因鋼-混組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性好，故本項(xiàng)目主梁選擇采用鋼-混組合梁。

對(duì)于鋼-混組合梁中的鋼梁形式，設(shè)計(jì)中比選了桁架梁和格子梁2種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析（見表3），格子梁與桁架梁用鋼量指標(biāo)相當(dāng)，但考慮到桁架梁梁高較高，景觀效果差，且施工復(fù)雜，因此本項(xiàng)目鋼-混組合梁中鋼梁采用格子梁形式。

表3 主梁鋼結(jié)構(gòu)形式比選

主梁橋面板采用鋼-混組合橋面板，在格子梁上滿鋪鋼底板，其上再澆注鋼纖維混凝土的形式。鋼底板形式目前通常采用平板和波形板，相較于平板，波形板穩(wěn)定性更好，剛度大，可同時(shí)作為底模使用，因此鋼底板采用波形板的形式。

5 耐候鋼在主拱和主梁的應(yīng)用

耐候鋼在大氣中表面會(huì)逐漸形成致密且附著性很強(qiáng)的保護(hù)膜，能夠阻礙銹蝕向內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)銹層下的基體，有效減緩腐蝕速度。

耐候鋼具有良好的抗腐蝕性能以及較普通結(jié)構(gòu)鋼更高的力學(xué)性能。免涂裝耐候鋼橋梁已在歐洲多國(guó)和美國(guó)、日本廣泛應(yīng)用，中國(guó)免涂裝耐候鋼橋梁發(fā)展還處于萌芽階段［4］。與普通鋼材相比，能夠降低建設(shè)期和全壽命周期成本，且有利于環(huán)境保護(hù)，將耐候鋼用于橋梁建設(shè)可以帶來(lái)非常大的效益。

本項(xiàng)目主橋鋼管混凝土拱橋主拱和主梁用鋼量大，總用量約1.4萬(wàn)t，從項(xiàng)目建設(shè)期到運(yùn)營(yíng)期全壽命周期成本來(lái)分析，免涂裝耐候鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼相比，可節(jié)約10%～15%的建設(shè)成本，節(jié)約20%以上的全壽命周期成本。因此，經(jīng)過(guò)比選分析，本項(xiàng)目主拱和主梁結(jié)構(gòu)用鋼均采用耐候鋼，牌號(hào)選用Q355qDNH。預(yù)計(jì)可節(jié)約全壽命周期成本4000萬(wàn)元以上。

本項(xiàng)目主拱和主梁按免涂裝高強(qiáng)度耐候鋼設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）耐候鋼與混凝土接觸面進(jìn)行底漆處理，涂層的厚度不應(yīng)低于100μm。

（2）耐候鋼焊接所用焊接材料的選擇須與母材性能匹配與成分匹配的耐候焊接材料。耐候鋼焊接接頭疲勞性能是研究人員及設(shè)計(jì)人員容易忽視的問題，而焊材選擇、焊接工藝和焊縫力學(xué)性能是焊縫質(zhì)量關(guān)鍵的控制因素，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)此提出明確的要求。

（3）鋼結(jié)構(gòu)連接螺栓選用耐候高強(qiáng)螺栓。

（4）免涂裝高強(qiáng)度耐候鋼適宜用于偏遠(yuǎn)和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)等后期養(yǎng)護(hù)不便地區(qū)，城市橋梁對(duì)景觀要求高，可以考慮涂刷裝飾性面漆，涂裝的顏色應(yīng)與免涂裝耐候鋼預(yù)期的最終顏色相協(xié)調(diào)。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）橋跨布置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注防洪、通航、環(huán)保要求，尤其當(dāng)涉及國(guó)家級(jí)珍稀魚類保護(hù)區(qū)，魚評(píng)要求往往是其決定性因素；橋梁結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)確定的孔跨大小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)及施工條件，從功能、景觀、經(jīng)濟(jì)性等角度綜合確定。

（2）鋼管混凝土拱橋拱軸線宜采用懸鏈線，400m以上鋼管混凝土拱橋矢跨比一般在1／4～1／5之間選取，拱軸系數(shù)在1.30～1.50之間選取，主拱結(jié)構(gòu)宜采用變截面桁式主拱、L形橫撐。

（3）從經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)健性、景觀性及施工便利性分析，鋼管混凝土拱橋主梁宜采用鋼-混組合梁，鋼梁宜采用格子梁，橋面板宜采用波形鋼底板鋼混組合板。

（4）相比普通結(jié)構(gòu)鋼，耐候鋼用于橋梁建設(shè)能夠降低建設(shè)期和全壽命周期成本，有利于環(huán)境保護(hù)，能帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，值得在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中推廣。