外傾式不對稱鋼箱拱橋設計關(guān)鍵技術(shù)

朱忠 ZHU Zhong；尹開川 YIN Kai-chuan；白洪濤 BAI Hong-tao；代攀 DAI Pan；黃永福 HUANG Yong-fu

（云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

拱，自古以來就是人們普遍認為的極具美感的一種建筑結(jié)構(gòu)，大范圍應用于民用建筑及公路橋梁建設領域。在民用建筑中，其一般用于造景需求較高的部分，以便于體現(xiàn)建筑美感，而在公路橋梁建設領域的應用主要以各類拱形結(jié)構(gòu)橋梁為具體體現(xiàn)形式。

拱橋，最廣泛最早地被人們認知應該是屬趙州橋無疑了，從古至今拱橋的發(fā)展從使用材料的變化上來歸納大體經(jīng)歷了3 個發(fā)展階段，分別為石拱橋階段，混凝土拱橋階段以及鋼拱橋階段，隨著材料的不斷發(fā)展將拱橋的經(jīng)濟跨徑從最初的幾十米增加到了目前的300 多米，特別是進入21 世紀后，高速公路建設進入了大發(fā)展時期，公路橋梁建設時由于拱橋結(jié)構(gòu)受力明確，傳力流暢，拱圈及基礎均處于受壓狀態(tài)，受力狀態(tài)合理等特點，目前許多山區(qū)公路及有景觀要求的城市道路橋梁建設均傾向于選用此類結(jié)構(gòu)跨越山谷或河道。近年來，為積極響應國家綠色低碳發(fā)展大戰(zhàn)略，越來越多的造型各異的鋼拱橋（包括鋼箱拱橋以及鋼管混凝土拱橋）開始出現(xiàn)在人們的視野中，從造型上細分，大家已不再局限于平面拱橋的建設了，大量的提籃拱、外傾拱、不對稱拱開始爭奪眼球。其中不對稱拱橋因其獨特的外觀造型及強烈的視覺沖擊效果已然成為景觀網(wǎng)紅橋梁打造的第一選擇。

1 項目背景

云南山區(qū)某跨江橋梁，作為人行綠道建設系統(tǒng)工程的一部分，從建設初期就被定位為網(wǎng)紅景觀橋梁打卡點，在橋梁外形上選擇了外傾式不對稱拱橋，材料上選擇了更為環(huán)保景觀效果更好的鋼結(jié)構(gòu)，本橋主跨跨徑為125m，目前本項目正在施工建設中。

圖1 外傾式不對稱鋼箱拱橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)設計

本項目主橋為1-125m 外傾鋼拱橋，拱軸線形為拱平面內(nèi)跨徑L=125m，S 拱（上游拱肋）拱平面內(nèi)矢高f=27.672m，S 拱拱圈與豎直平面夾角為16°，立面投影高26.60m，S 拱拱軸系數(shù)m=1.5，X 拱（下游拱肋）拱平面內(nèi)矢高f=19.142m，X 拱拱圈與豎直平面夾角為16°，立面投影高18.40m，X 拱拱軸系數(shù)m=1.5。兩片拱的拱軸線在拱腳位置處的間距為8.2m；橋?qū)挘?.25m（欄桿）＋3.5m（車行道）＋0.25m（欄桿）＝4m；吊索位于拱平面內(nèi)，吊索采用GJ15-4及GJ15-3 整束擠壓吊桿，破斷力標準值分別為1040kN和780kN，吊桿拱肋鋼箱內(nèi)上端為張拉端，鋼板梁下端為錨固端。為了適應施工及成橋后吊桿的轉(zhuǎn)角，吊桿上、下端冷鑄錨錨固處均設置球面墊板；拱座采用鋼箱拱座+外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拱座上設置有部分引橋橋墩以及主橋臺帽、背墻、蓋梁等。（圖2）

圖2 橋梁總體布置圖

本項目加勁梁采用正交異形鋼橋面板結(jié)構(gòu)，主梁高700mm，鋼縱、橫梁高700mm，鋼梁頂?shù)装迤叫?，頂板同路面橫坡，為單向2%。鋼梁采用“工”形斷面的縱、橫梁體系，縱梁間距3.5m、橫梁間距2.5m，吊桿挑梁間距7.5m，縱梁與橫梁采用焊接連接，縱梁頂?shù)装?、腹板采用焊接連接，梁段與梁段腹板之間采用栓接。主橋吊桿采用15-4 及15-3型鍍鋅鋼絞線整體擠壓成品吊桿，抗拉強度標準值1860MPa。拱肋采用鋼箱梁斷面，斷面尺寸2.4×2.0m，鋼箱梁板厚為30mm-20mm；拱腳位置采用鋼箱拱腳+外包混凝土，鋼箱拱腳內(nèi)填C35 補償收縮混凝土，外表面設置PBL 鍵與外包混凝土可靠連接。兩岸側(cè)拱座采用拱座接承臺接樁基，在承臺后根據(jù)地質(zhì)條件設置抗推體保證可靠有效抵抗拱橋的水平推力。（圖3-圖6）

圖4 吊索截面圖（單位：mm）

圖5 主拱圈標準斷面（單位：mm）

圖6 鋼箱拱腳立面示意圖（單位：mm）

設計階段針對本橋建立了全橋有限元模型進行計算，相關(guān)計算模型及主要計算結(jié)果如圖7-圖8 所示。

圖7 全橋有限元分析模型

圖8 拱肋基本組合應力圖（單位：MPa）

對于主梁而言設計階段對正應力、剪應力考慮局部穩(wěn)定折減及剪力滯折減后進行相關(guān)驗算，驗算結(jié)果詳見表1-表3。

表1 運營階段加勁梁性能指標

表2 運營階段加勁梁性能指標

表3 地震工況下加勁梁性能指標

3 施工注意事項

本項目中外傾式不對稱鋼箱拱橋的施工主要包括以下流程：①施工場地四通一平；②開挖拱座、抗推體基坑，并做好防護措施；③施工樁基、承臺、抗推體（施工前需先完成相關(guān)荷載試驗）、拱座及鋼箱拱腳（提前做好相關(guān)預埋件的定位及預埋），注意鋼箱拱腳施工完后暫不澆筑拱座外包混凝土，繼續(xù)施工拱肋；④施工纜索吊錨固系統(tǒng)；⑤安裝纜索吊塔架、主纜及邊跨扣索；⑥逐節(jié)段安裝拱肋節(jié)段（注意部分位置臨時連接）并及時張緊扣索進行固定，同時隨著主拱節(jié)段的安裝按順序施工臨時風撐進行臨時約束；⑦在設計溫度吊裝拱肋合攏段并調(diào)整拱肋線形完成所有拱段之間的滿焊固結(jié)；⑧松弛扣索并拆除臨時風撐；⑨由跨中向兩端逐節(jié)段安裝吊索及鋼主梁，同步完成主梁之間的焊連；⑩在最后兩個主梁節(jié)段安裝之前先完成拱座外包混凝土的施工；1○安裝最后兩個主梁節(jié)段；12○施工橋面附屬結(jié)構(gòu)并拆除臨時結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)進行補充涂裝。

施工中需要重點注意的問題有以下幾個方面：①臨時扣索的張拉角度和張拉力的確定；②拱肋起吊后外傾角度的扭轉(zhuǎn)調(diào)整；③外傾拱橋豎向預拱度與橫向預拱度疊加后的位移效應；④拱肋拼裝過程中精度控制；⑤吊桿長度應在主拱合攏后進行全面實測后重新計算校對；⑥密切關(guān)注監(jiān)控指令。

4 結(jié)語

當前社會高度信息化發(fā)展，網(wǎng)絡傳播速度和效益都非常驚人，多地政府開始著手于打造一批特色網(wǎng)紅景點以吸引游客爭相打卡，市政行業(yè)中結(jié)合功能需求建設一批具有鮮明特色、符合大眾審美且具有強大視覺沖擊力的橋梁工程已越來越成為群眾的基礎需求，反映了人民群眾在物質(zhì)文化生活水平方面的不斷提升。

通過本項目的建設，也希望對未來類似橋梁的設計和施工起到一定的借鑒和參考作用。