連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策研究

孫威

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司第六分公司，安徽合肥 230008）

1 項(xiàng)目概述

根據(jù)安徽省來(lái)安縣城市總體規(guī)劃，塔山路規(guī)劃為城市主干路，道路寬度40m，斷面布置為：22m 機(jī)動(dòng)車道+2m×2m 綠化帶+2m×4m 非機(jī)動(dòng)車道+2m×3m 人行道。橋位處河道下口寬20m，上口寬約138.6m。

經(jīng)多輪方案設(shè)計(jì)，遴選了4 個(gè)橋梁方案，并進(jìn)行網(wǎng)上公示；公開(kāi)征集意見(jiàn)且設(shè)置了投票功能，最終確定采用總長(zhǎng)為125m 中承式系桿拱橋?yàn)閷?shí)施方案。

后通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化，采用3 跨自錨式系桿拱橋結(jié)構(gòu)，跨度組合為20m+85m+20m。中心跨為半填充混凝土橋結(jié)構(gòu)，邊跨為鋼筋混凝土橋（半拱）。三跨采用強(qiáng)大的系桿與整個(gè)機(jī)體相連，以保證整個(gè)建筑系統(tǒng)的安全和主跨拱腳的平衡。中跨拱肋為啞鈴形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，主孔橋面裝有柔性吊桿、橫梁、橋面和固定扣件，以平衡主拱的方位，邊跨端部固定有壓緊拉桿。最大長(zhǎng)度為20m，由2.5m 長(zhǎng)直線段和鋼筋混凝土矩形拱肋半拱組成。

本橋主體結(jié)構(gòu)構(gòu)造上由主拱肋、吊桿、縱橫梁、橋面板、系桿、邊跨等上部結(jié)構(gòu)和橋臺(tái)、橋墩、群樁基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)，全橋主體由這兩大部分組成。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）拱軸線參數(shù)。邊跨長(zhǎng)20m，半拱結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是系桿錨固裝置，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。框架端直邊長(zhǎng)2.5m，其余17.5m（水平長(zhǎng)度），拱軸為長(zhǎng)5.0m、長(zhǎng)35m、矢跨比1/7 的二次拋物線。中跨采用啞鈴形鋼管結(jié)構(gòu)，拱軸是二次拋物線，計(jì)算跨度為85m，矢量長(zhǎng)度為21.25m，矢跨比為1/4。

（2）橋面寬度：22m 機(jī)動(dòng)車道+2m×2m 綠化帶+2m×3.5m 非機(jī)動(dòng)車道+2m×2.25m 人行道=37.5m。

（3）設(shè)計(jì)荷載：①永久荷載，包含自重荷載以及不均勻沉降10mm 的基礎(chǔ)變位作用。②可變載荷，主要包括汽車載荷、人群載荷、空氣載荷和溫度載荷等。③偶然荷載，來(lái)安縣地震核心為Ⅵ度，設(shè)計(jì)時(shí)間為0.4s，基本地震加速度為0.05g，地震震級(jí)為第二組。

3 施工過(guò)程簡(jiǎn)述

滿堂支架現(xiàn)澆邊跨拱肋及密肋橋面板；利用拱腳節(jié)點(diǎn)型鋼骨架，安裝固定拱腳段，現(xiàn)澆拱腳錨固塊，人工灌注拱腳段混凝土；安裝拱肋臨時(shí)支架，依次吊裝拱肋；安裝橫撐及鋼橫梁。其后安裝吊桿，并從拱頂向拱腳對(duì)稱均衡吊裝橫梁。然后安裝縱梁并現(xiàn)澆縱梁濕接縫；張拉吊桿，調(diào)整橫梁頂面高程，滿足成橋階段要求。最后安裝預(yù)制橋面板并實(shí)施橋面鋪裝、附屬設(shè)施。施工過(guò)程中通過(guò)系桿的逐級(jí)張拉，將拱肋、橫梁、縱梁等逐漸形成整體受力體系。

4 主拱圈、縱橫梁及橋面板系統(tǒng)受拉措施的研究

設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中進(jìn)行了以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)的對(duì)策研究。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）組合結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。首先進(jìn)行邊跨的現(xiàn)澆施工，完成后釋放主梁下方支撐；其次在拱座位置安裝拱肋、縱梁和橫梁，吊裝橫梁后分段安裝縱梁并澆筑連接，形成整體框架受力狀態(tài)，然后完成預(yù)應(yīng)力的第一次張拉。全橋主要的承重結(jié)構(gòu)形成了拱梁組合結(jié)構(gòu)，它們承受了結(jié)構(gòu)的自重及臨時(shí)施工荷載。此時(shí)，全橋應(yīng)力狀態(tài)基本形成。

在前一步基礎(chǔ)上，逐步實(shí)施橋面板和橋面板整體現(xiàn)澆層，此時(shí)全橋形成主要的橋面系承重結(jié)構(gòu)。在該階段，靜載和活載處于應(yīng)力狀態(tài)。最后建造橋面系統(tǒng)，例如欄桿、瀝青鋪裝和過(guò)橋管線，這些均作為自重載荷進(jìn)行加載模擬。

（2）剛性梁和剛性拱的縱橫梁系統(tǒng)的整體橋面受以下因素影響：①在主拉力處于受力狀態(tài)下，橋面板在縱橫梁之間，二次澆筑引起收縮應(yīng)力。②由于拱腳的強(qiáng)大推力，引起橋面出現(xiàn)拉應(yīng)力。③同時(shí)考慮橋面板在中心支點(diǎn)處的負(fù)彎矩效應(yīng)，也導(dǎo)致橋面出現(xiàn)拉應(yīng)力。以上3 種應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致橋面開(kāi)裂。橋面的裂縫控制是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 對(duì)策研究

橋面板開(kāi)裂解決方案：①使用微膨脹混凝土對(duì)橋面板進(jìn)行兩次澆筑，以在橋面板中形成預(yù)壓縮應(yīng)力。②在橋面板上的混凝土中添加諸如鋼纖維和聚合物纖維之類的纖維狀物質(zhì)，以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，使橋面板上的裂縫分散并變得眾多而稀薄。③在橋面板上施加預(yù)應(yīng)力以形成預(yù)壓縮應(yīng)力，以減小混凝土的拉應(yīng)力，從而防止裂縫或減小裂縫寬度的目的。④采用預(yù)壓實(shí)法，在第二階段的恒載和活載作用下或在允許范圍內(nèi)，使橋面板混凝土的內(nèi)部拉應(yīng)力為零。

經(jīng)計(jì)算，在縱橫梁上，預(yù)壓縮的48kN/m 的均布載荷可以抵消橋面板混凝土在第二階段的靜載荷和活載荷作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

4.3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)研究，在系桿拱橋中，通過(guò)采取合理的施工工序以及有效的工程措施，可以彌補(bǔ)縱橫梁系統(tǒng)整體橋面板結(jié)構(gòu)的缺陷，該方案技術(shù)上是可行的。

5 施工階段體系轉(zhuǎn)換中分階段分批張拉柔性系桿的受力分析及結(jié)構(gòu)措施與對(duì)策研究

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

本橋采用3 跨自錨式系桿拱橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝平衡主拱方向的固定桿與整個(gè)機(jī)體相連，以保證拱的水平對(duì)齊，主跨的拱腳和整個(gè)建筑系統(tǒng)的安全。預(yù)應(yīng)力系桿錨固于邊跨端部，邊跨端部設(shè)15.1m 長(zhǎng)現(xiàn)澆密肋和邊跨拱肋組成一個(gè)整體，共同承受和傳遞系桿水平力，保證橋梁安全。

本橋結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，由主跨、邊跨、橋墩（含拱腳錨固區(qū)）及系桿四大部分組成，這四部分四位一體，相互影響、相互依存，密不可分。其中系桿貫穿全橋，構(gòu)成全橋的生命線。大橋施工階段體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，各個(gè)構(gòu)件的施工順序需制定合理計(jì)劃，以保證成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 對(duì)策研究

系桿為平衡主拱拱腳水平推力，同時(shí)調(diào)整邊跨拱肋內(nèi)力而設(shè)。本橋系桿采用成品拉索，貫穿全橋，并錨固于邊跨拱肋端部。系桿在全橋均為整束可調(diào)可換索式系桿。位于邊跨密肋現(xiàn)澆段系桿設(shè)預(yù)埋管，其他部分系桿錨固鋼箱內(nèi)。

系桿采用整體分階段張拉工藝，滿足系桿分階段張拉需求?？紤]溫度、松弛及邊拱彈性壓縮損失后，單根系桿永久索力約4000kN。通過(guò)邁達(dá)斯建模計(jì)算，隨著自重荷載的不斷增加，全橋系桿共分為四個(gè)張拉階段。

設(shè)計(jì)階段建立系桿力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)集中采集式索力磁通量傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工期間以及運(yùn)營(yíng)期間的系桿索力變化監(jiān)測(cè)，以減小常規(guī)系桿力測(cè)量方法的誤差，監(jiān)控橋梁施工及運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)安全性能。

由于主橋結(jié)構(gòu)及受力十分復(fù)雜，施工階段較多，體系轉(zhuǎn)換頻繁，結(jié)構(gòu)受力往往會(huì)偏離理想的受力狀態(tài)，依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于本橋這種跨徑較大的鋼結(jié)構(gòu)拱橋，需由建設(shè)單位委托施工控制經(jīng)驗(yàn)豐富的單位在施工前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的考慮，以主梁線型、拱肋線形及系桿力、吊桿力為主控，對(duì)拱肋、吊桿、系桿和縱橫梁施工中標(biāo)高、線型、偏位、梁拱應(yīng)力、吊桿和系桿力等內(nèi)容進(jìn)行多層控制。通過(guò)制定周密的施工控制方案，指導(dǎo)施工的進(jìn)行并提出必要的修改建議。

5.3 結(jié)論

通過(guò)系桿力的智能監(jiān)測(cè)措施，施工過(guò)程中引入橋梁施工監(jiān)控及成橋試驗(yàn)，并在運(yùn)營(yíng)階段建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多措并舉，能夠確保橋梁安全的同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。同時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可考慮與施工監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)，施工監(jiān)控期間預(yù)埋件考慮成橋后健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用要求，以節(jié)約造價(jià)。

6 在拱肋安裝及鋼管拱灌注混凝土全過(guò)程中局部和局部應(yīng)力狀態(tài)的對(duì)策研究

6.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）橋體鋼管拱部分可分為4 個(gè)施工環(huán)節(jié)：①工廠制作鋼管拱的管段。②將鋼管拱架安裝在橋面板的支架上。③拆下鋼管拱的支撐。④管內(nèi)混凝土應(yīng)采用泵送頂升壓注施工，由兩拱腳至拱頂對(duì)稱均衡地一次壓注完成。

（2）空鋼管拱肋的加工、運(yùn)輸、吊裝和合攏，建議采用纜索吊裝法施工，纜索吊的設(shè)計(jì)及安裝由施工單位根據(jù)工程需要自行考慮；拱肋接頭采用少支架臨時(shí)固定措施。

（3）鋼管混凝土泵送一次成形。需考慮拱肋高度、澆注順序（原則上先上鋼管、次下鋼管、最后中間腹板，總體安排上需對(duì)稱、均衡灌注）、泵送微膨脹混凝土配合比、管內(nèi)混凝土填充密實(shí)度檢測(cè)和質(zhì)量檢驗(yàn)等問(wèn)題。進(jìn)行鋼管混凝土拱肋的施工全過(guò)程中，全面的安全保障也是施工進(jìn)度的保障。

6.2 對(duì)策研究

（1）使用ADINA 結(jié)構(gòu)分析對(duì)鋼管拱灌注混凝土的全過(guò)程進(jìn)行計(jì)算模擬。在澆灌混凝土的過(guò)程中，由于空心鋼管拱的硬度較低，從而會(huì)出現(xiàn)位移較大且應(yīng)變能力弱的特征。這也導(dǎo)致在使用空心鋼管拱進(jìn)行混凝土澆筑過(guò)程中，受力不均，而致使線彈性原理編譯的常用程序計(jì)算出現(xiàn)誤差。為計(jì)算的準(zhǔn)確度得到有效保障，相關(guān)人員需掌握鋼管拱施工過(guò)程中的應(yīng)力和變形，并在全過(guò)程計(jì)算過(guò)程中，使用非線性程序來(lái)指導(dǎo)施工，通過(guò)ADINA 非線性有限元程序來(lái)計(jì)算整個(gè)灌注過(guò)程。

（2）計(jì)算精度檢驗(yàn)。為檢測(cè)計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)基于線彈性理論的程序PRBP 的計(jì)算結(jié)果以及非線性程序ADINA 的結(jié)果和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

在ADINA 計(jì)算程序當(dāng)中，可分為多個(gè)計(jì)算步驟：第一步是鋼管拱落架。第二步是澆筑拱腳倉(cāng)混凝土。第三步是澆注拱頂倉(cāng)混凝土。第四步是倒拱腰倉(cāng)混凝土。

通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示：①在框架掉落時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼管拱應(yīng)力減弱與位置發(fā)生偏移。②拱腳倉(cāng)混凝土澆筑之后的應(yīng)力也產(chǎn)生的變化并出現(xiàn)位移現(xiàn)象。③澆筑完成后的鋼管拱應(yīng)力發(fā)生變化并產(chǎn)生位移的情況。而PRBP 程序提供澆筑完成后鋼管拱的應(yīng)力也有出現(xiàn)變化和位置發(fā)生偏移。

6.3 研究結(jié)論

①實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)值并未超限應(yīng)力，控制值一般比計(jì)算的應(yīng)力的更小，并且應(yīng)力比ADINA 程序的結(jié)果更加平穩(wěn)、均勻。②ADINA 程序計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)值。③PRBP 程序計(jì)算出的應(yīng)力是最為平穩(wěn)的、均勻的。