超寬橋面雙提籃梁拱組合橋梁總體設(shè)計

莫朝慶

（湖南大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410082）

1 概述

梁拱組合橋是一種特殊形式的拱橋，兼有拱橋和梁橋的特點，與通常的拱橋和梁橋相比，其具有對地基適應(yīng)性強(qiáng)、建筑高度低等諸多優(yōu)點，在跨徑60～200 m 的范圍內(nèi)是一種極具競爭力的橋型[1]。

該橋位于常德市穿紫河水系的姻緣河上，為穿紫河水系與“中國城市第一湖”——柳葉湖水系連通的關(guān)鍵性景觀節(jié)點之一，其景觀性要求較高。

同時，在道路改造時全線設(shè)置了城市綜合管溝，為確保全線管溝貫通，橋梁結(jié)構(gòu)必須考慮管溝的通行。橋梁在斷面形式、跨度及梁高設(shè)置方面均需考慮其影響。

經(jīng)過方案比選及優(yōu)化，本橋橋型采用新穎的雙提籃梁拱組合橋，全橋橫橋向為一幅整體結(jié)構(gòu)，跨寬比為1.77＜2.0，為超寬橋面結(jié)構(gòu)[2]。綜合管溝從橋梁中間穿過，在保證結(jié)構(gòu)功能的同時兼顧景觀效果，夜景效果見圖1。

圖1 夜景效果圖

2 設(shè)計概況

2.1 設(shè)計荷載

汽車荷載：城-A 級；人群荷載：3.5 kPa。

2.2 總體設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)總長 150 m，為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合體系，跨徑組成為 35 m+80 m+35 m。橋面寬 45 m，橫橋向為一幅，單箱 11 室結(jié)構(gòu)。拱肋采用鋼管混凝土，理論計算跨徑 L=80 m，計算矢高f=16 m，矢跨比為 1/5。

為確保綜合管溝能在橋體內(nèi)順利通行，預(yù)留橋梁中間三室為管溝通道，見圖2。為方便后期的維護(hù)和檢修，主梁跨中截面高 2.6 m，支座處截面高3.6 m，橫隔板處通行最小凈高不小于 1.2 m。

圖2 橋梁跨中橫隔板處綜合管溝斷面（單位：cm）

2.3 橫斷面布置

全橋總寬 45 m，橫坡 1.5%，橋面橫向布置為2.5 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動車道）+5.25 m（綠化區(qū)+拱座區(qū)）+0.5 m（安全距離）+3× 3.5 m（機(jī)動車道）+0.5/2（雙黃線區(qū)），左右對稱，見圖3。其中，箱梁中間三孔為綜合管廊通行空間。

圖3 橋梁橫斷面（單位：cm）

2.4 橋型設(shè)計構(gòu)思

常規(guī)的提籃拱橋常采用兩片拱往中間傾斜，兩片拱中間設(shè)橫向風(fēng)撐將兩者連成一有機(jī)平衡的整體。同時每片拱上均安裝吊桿，形成主受力體系。該橋設(shè)計時，考慮到全橋橫向?qū)挾容^大達(dá) 45 m但主跨跨度僅為 80 m，長寬比例很小僅為 1.78，如采用常規(guī)提籃拱做法則橫向風(fēng)撐較長且對橋面的壓迫感十分明顯，景觀效果差，難以滿足城市景區(qū)的要求。設(shè)計時，考慮將兩片拱分開，做成兩個獨立的自平衡提籃拱，橋面上視野開闊，行車舒適感強(qiáng)。

主梁采用變高連續(xù)梁，梁底曲線與主拱線型互相呼應(yīng)，形成一道優(yōu)美的空間曲線。梁高充分考慮箱梁內(nèi)綜合管溝人員的通行，保證最小通行高度。

2.5 構(gòu)造設(shè)計

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，主拱跨徑 80 m，矢高 16.0 m，兩片拱肋中心間距 28 m；提籃拱拱肋縱向豎偏角為 4 °。拱肋采用啞鈴式斷面，高 1.5 m，肋板寬 0.3 m，鋼管直徑為 0.5 m，鋼板厚均為14 mm。拱肋間橫梁采用矩形鋼箱梁截面，寬0.5 m，高 0.8 m，采用 20 mm 厚鋼板焊接。吊桿間距為 5 m，一片拱肋共計 15 根吊桿。采用 OVM.GJ15-19 型鋼絞線整束擠壓吊桿成品索。

主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁，單箱11 室截面（中間三室同時為綜合管廊通道），根部梁高 3.3～3.64 m（橫坡 1.5%），跨中和邊支座處梁高 2.3～2.64 m。主梁縱向和橫梁處均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋。

考慮橋面橫向?qū)挾冗_(dá) 45 m，拱肋中心間距28 m，在每個拱座下方設(shè)置三個橋墩，每個墩上布置兩個支座，有效減小橋梁的橫向受力寬度，確保結(jié)構(gòu)受力合理。

2.6 施工工序

本橋采用“先梁后拱”法施工，主要步驟如下：

（1）施工樁基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)；

（2）滿堂支架法施工主梁；

（3）張拉 70%的預(yù)應(yīng)力鋼筋；

（4）在主梁上搭設(shè)支架，吊裝拱肋；

（5）拱肋內(nèi)混凝土澆筑；

（6）張拉余下的 30%預(yù)應(yīng)力；

（7）安裝吊桿并張拉調(diào)試，拆除支架；

（8）施工橋面系及附屬結(jié)構(gòu)。

其中：主梁混凝土由于面積太寬，混凝土澆筑量較大，施工時設(shè)置了后澆帶，確保施工過程中水化熱能及時釋放，見圖4。

圖4 后澆帶設(shè)置示意圖（單位：cm）

主梁預(yù)應(yīng)力張拉分為兩批，第一為 70%的預(yù)應(yīng)力，張拉完后確保在主梁上施工主拱的構(gòu)件時其有一定的應(yīng)力儲備，待鋼管混凝土壓漿完后，張拉余下的 30%預(yù)應(yīng)力，通過預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的效應(yīng)平衡主拱由于自重作用下產(chǎn)生的水平推力和自重作用下產(chǎn)生的豎向撓度。

3 結(jié)構(gòu)分析及支座優(yōu)化設(shè)計

3.1 有限元模型建立

全橋有限元分析運用 MIDAS/Civil 2011 軟件建立全橋的空間結(jié)構(gòu)模型，見圖5。由于橋面較寬且為空間受力，整體計算采用空間桿系理論，采用梁格法進(jìn)行計算。模型全橋橫向共分為 12 片縱肋，橫向剛度通過虛擬橫梁等效實現(xiàn)；拱肋鋼管和鋼管內(nèi)混泥土通過兩單位共節(jié)點方式實現(xiàn)，不考慮鋼管的套箍作用；吊桿采用桁架單元模擬[3]。

圖5 有限元計算模型

施工階段分析盡量模擬施工過程中結(jié)構(gòu)的實際受力情況，拱肋壓漿過程采用先計算其濕重下一階段才考慮混凝土和鋼共同受力。

3.2 計算分析及支座優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 支座布置優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力特征，中支座共考慮三種布置形式（見圖6、圖7），具體為：

方案一：每片拱腳下方布設(shè)一個支座；

方案二：吊桿下方及跨中各布設(shè)一個支座；

方案三：每片拱腳下方布設(shè)一個，跨中兩個。

圖6 支座布置示意圖（單位：cm）

圖7 三方案支座受力分析圖

方案一為常規(guī)拱橋的布設(shè)方案，但由于橋面超寬支座受力嚴(yán)重不均勻；方案二結(jié)構(gòu)受力較方案一改善較大，但支座不均勻受力明顯。方案三通過支座間距的合理調(diào)整后，各支座受力均勻合理，差值不超過 10%。對于橋面較寬結(jié)構(gòu)，通過支座的合理布置來調(diào)整結(jié)構(gòu)的傳力途徑，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力十分必要。

3.2.2 特征值分析

自振頻率分析采用空間向量法的子空間迭代法，迭代次數(shù)取 30 次。自振頻率和振型見表1、圖8。

表1 自振頻率表

圖8 一階自振模態(tài)（橫橋向）

由上述可知，橋梁的基頻為 2.11 Hz，周期0.47s，前三階振型均為拱肋一階橫彎，至第四階為主梁豎彎振型，充分體現(xiàn)該橋“強(qiáng)梁弱拱”的受力模式，主梁整體剛度較大，拱剛度相對較弱。

3.2.3 穩(wěn)定分析

采用空間模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，計算結(jié)構(gòu)表明，使用階段結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)表現(xiàn)為拱肋橫向側(cè)彎，臨界荷載系數(shù)為 5.56>4，滿足規(guī)范要求，見圖9。

圖9 一階失穩(wěn)模態(tài)

3.2.4 成橋狀態(tài)下受力狀態(tài)

成橋狀態(tài)下主梁、主拱受力見圖10～圖13。

通過縱向預(yù)應(yīng)力筋的合理布置，主梁縱向均處于受壓狀態(tài)；主拱鋼管的應(yīng)力最大值為 166.8 MPa，應(yīng)力水平合理并有一定的儲備。

圖10 主梁應(yīng)力圖（均受壓）

圖11 拱肋鋼管應(yīng)力圖（最大壓應(yīng)力為 166.8 MPa）

圖12 吊桿橫梁（左側(cè)為拱腳處，右側(cè)為跨中處）

圖13 吊桿軸力（最大為 1 709 kN）

吊桿的設(shè)定索力為 1 500 kN，吊桿通過主拱所傳遞豎向力所占比例約為 33.5%（總吊桿力/總支座力=30×1 500/135 000）。由圖13 可知，最大索力約為 1 700 kN，內(nèi)力增幅較小，是“強(qiáng)梁弱拱”體系的一典型特征。

由圖12 可知，通過合理確定吊桿內(nèi)力，同時布置橫向預(yù)應(yīng)力，在吊桿間距達(dá) 28m 的情況下，橫梁為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。但吊桿的內(nèi)力必須在一合理的范圍之類，且必須考慮跨中和根部橫梁高度的差異。

汽車活載作用下，主梁的最大豎向位移為4.14 mm，主拱的豎向位移為 2.06 mm，活載與恒載相比所占比重較小，見圖14、圖15。

圖14 汽車荷載主梁位移圖（4.14 mm）

圖15 汽車荷載主拱位移圖（2.06 mm）

對該類超寬橋面提籃拱橋的設(shè)計，主拱的傳力比例（即吊桿力力）必須引起重視，取值太高橫向受力易控制橋梁設(shè)計；取值偏低，拱對梁的輔助作用降低。設(shè)計時，宜通過試算確定且宜以縱向控制設(shè)計。

4 結(jié)語

梁拱組合橋梁作為一種新穎的受力結(jié)構(gòu)，將梁受彎和拱受壓的特性有機(jī)地結(jié)合起來，在一定跨度范圍之內(nèi)具有很強(qiáng)的競爭力。本橋采用新穎的雙提籃拱結(jié)構(gòu)體系，對解決城市超寬橋面且“長寬比”較小橋梁的景觀問題是個有益的嘗試，并通過空間分析計算論證其可靠性。同時，通過合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施實現(xiàn)橋梁與城市綜合管溝有機(jī)統(tǒng)一，既經(jīng)濟(jì)又美觀，對同類橋梁的設(shè)計有一定的參考和借鑒作用。

[1] 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁——設(shè)計研究與實踐[M].北京:人民交通出版設(shè),2001.

[2] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

[3] 戴公連,李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計方法與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2001.