雙肋閉口薄壁箱在大跨度轉(zhuǎn)體拱橋中的應(yīng)用

梅志軍，郭小平

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330038）

鋼筋混凝土拱橋具有造型美觀、承載能力大、后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)山區(qū)橋梁建設(shè)中已普遍應(yīng)用。轉(zhuǎn)體拱橋是一種大跨度、滿(mǎn)足特殊地形施工要求的橋梁形式的拱橋，其施工工藝已經(jīng)成熟。主橋凈跨190 m 的湖北省道南鶴公路南渡江特大橋于2017 年9 月轉(zhuǎn)體合攏，2018 年建成通車(chē)，是目前國(guó)內(nèi)跨度最大的采用有平衡重轉(zhuǎn)體施工工藝設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土箱型拱橋。

國(guó)內(nèi)已建成并按轉(zhuǎn)體工藝施工的大跨度箱型拱橋轉(zhuǎn)出橋體主要采用開(kāi)口薄壁箱及帶砼底板小直徑鋼管砼勁性骨架兩種形式。 本文擬以湖北巴東小溪河大橋的設(shè)計(jì)為例，研究和對(duì)比不同轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了雙肋閉口薄壁箱方案。 該大橋成功采用了雙肋閉口薄壁箱方案，順利轉(zhuǎn)體并建成通車(chē)，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似橋型的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 橋型總體布置

湖北巴東小溪河大橋?yàn)橹袊?guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司市政事業(yè)部承接的三峽工程庫(kù)區(qū)交通專(zhuān)業(yè)復(fù)建個(gè)案項(xiàng)目。 該項(xiàng)目位于長(zhǎng)江南岸一級(jí)支流小溪河上,右岸為官渡口鎮(zhèn)肖家坪村,左岸為官渡口鎮(zhèn)馬鬃山村,下游500 m 處為小溪河入長(zhǎng)江口。 橋東距巴東新縣城18 km,西距重慶市培石鄉(xiāng)政府約5 km。 建成后與兩岸簡(jiǎn)易公路連接,右岸可達(dá)巴東新縣城，左岸直達(dá)重慶市培石鄉(xiāng)。

橋位處小溪河的常水位156 m 左右，水面寬度約103 m，河谷高程在90 m 左右，水深較大。 為減少施工難度，橋梁采用單孔跨越小溪河。經(jīng)綜合比選橋梁按照轉(zhuǎn)體施工工藝的箱型拱橋設(shè)計(jì)， 大橋跨徑設(shè)計(jì)充分考慮了3 kt 運(yùn)煤船只的通行,主拱凈跨155 m,凈矢跨比1/6。橋梁總體布置見(jiàn)圖1。該橋于2013 年順利完成轉(zhuǎn)體合攏,2014 年建成通車(chē),大橋建成后照片見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁總體布置立面圖

圖2 橋梁建成后照片

2.2 轉(zhuǎn)體方案構(gòu)思

在小溪河大橋?qū)嵤┣?，我?guó)采用轉(zhuǎn)體施工工藝大跨度（155 m 左右）箱型拱轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)出的都是帶砼底板的小直徑鋼管砼勁性骨架（見(jiàn)圖3）。 這種施工方法具有轉(zhuǎn)體重量輕、轉(zhuǎn)體費(fèi)用低、工藝成熟、施工安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但施工要求高，必須要有專(zhuān)業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)加工隊(duì)伍。 而且，這種轉(zhuǎn)體工藝在轉(zhuǎn)體階段使用的約200 t 勁性骨架鋼材，并非拱圈結(jié)構(gòu)使用階段所必需的鋼材，因此在技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益方面略顯不足。

小溪河大橋方案設(shè)計(jì)時(shí)，由中國(guó)瑞林市政事業(yè)部設(shè)計(jì)的貴州安順花江大橋順利完成轉(zhuǎn)體。 花江大橋?yàn)閮艨?40 m 上承式鋼筋混凝土箱型拱橋，該橋轉(zhuǎn)出橋體為開(kāi)口薄壁箱，是當(dāng)時(shí)中國(guó)瑞林市政事業(yè)部設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)出跨徑最大的開(kāi)口薄壁箱結(jié)構(gòu) （見(jiàn)圖4）。開(kāi)口薄壁箱拱圈工藝，即轉(zhuǎn)出的橋體拱箱結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土開(kāi)口薄壁箱型結(jié)構(gòu)，后續(xù)施工只需要在開(kāi)口薄壁箱的基礎(chǔ)上加厚腹板、底板，澆筑頂板即可。這種施工方法轉(zhuǎn)體重量稍重，但在施工工藝上只需按常規(guī)方式進(jìn)行土建施工，工藝成熟，不但造價(jià)較低、施工簡(jiǎn)易，而且安全可靠。同時(shí)，該方案還需要注意以下因素：1）由于抗扭剛度較小，轉(zhuǎn)體階段結(jié)構(gòu)整

體的面外扭曲失穩(wěn)是開(kāi)口薄壁箱結(jié)構(gòu)體系控制的主要因素。 2）同時(shí)轉(zhuǎn)體階段開(kāi)口箱拱肋L/4 截面位置上緣受拉，上緣卻無(wú)法配置大量的普通鋼筋，存在L/4 截面開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架轉(zhuǎn)體

圖4 開(kāi)口薄壁箱轉(zhuǎn)體

小溪河大橋跨度達(dá)到155 m，為提高轉(zhuǎn)出橋體轉(zhuǎn)動(dòng)階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，把轉(zhuǎn)出的橋體設(shè)計(jì)成雙肋閉口薄壁箱截面（見(jiàn)圖5、圖6），即2 個(gè)邊箱采用閉口截面，中箱采用開(kāi)口截面，中箱立柱下橫隔板的砼在轉(zhuǎn)體階段形成?？紤]到閉口箱轉(zhuǎn)體合攏后，在空中綁扎鋼筋的困難，轉(zhuǎn)體階段把腹板、底板二期砼內(nèi)的鋼筋和橫隔板內(nèi)的鋼筋一并帶出。 采用雙肋閉口薄壁箱作為轉(zhuǎn)出橋體，既可解決開(kāi)口薄壁箱的穩(wěn)定性問(wèn)題，又較帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架方案少了鋼結(jié)構(gòu)制作、運(yùn)輸、安裝等專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的要求。

圖5 雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體照片

圖6 雙肋閉口薄壁箱合攏照片

2.3 轉(zhuǎn)體方案體系設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)體重量比較

雙肋閉口薄壁箱為兩閉口薄壁邊箱和1 個(gè)開(kāi)口中箱組成，薄壁箱的薄壁厚度為10 cm，為保證后續(xù)施工的方便性及結(jié)構(gòu)的可靠性，外側(cè)壁考慮二期砼在外側(cè)加厚，底板砼在箱內(nèi)加厚，頂板砼在頂面加厚，標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖7。 在對(duì)應(yīng)立柱處兩個(gè)邊箱間橫隔板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提高整體剛度。

開(kāi)口薄壁箱結(jié)構(gòu)與雙肋閉口薄壁箱類(lèi)似，結(jié)構(gòu)不帶頂板，底板、側(cè)壁及腹板厚度均為10 cm，拱箱高度225 cm，標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖8。拱箱二期加厚腹板及側(cè)壁在2 個(gè)邊箱內(nèi)部加厚，底板可在開(kāi)口斷面加厚，方便操作，轉(zhuǎn)體階段在橫隔板位置均采用鋼筋籠及型鋼結(jié)構(gòu)，不澆筑混凝土，以減輕轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量。

圖7 雙肋閉口薄壁箱標(biāo)準(zhǔn)斷面

圖8 開(kāi)口薄壁箱標(biāo)準(zhǔn)斷面

帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架為空間桁架結(jié)構(gòu)，上弦采用4 根Φ280 mm×10 mm 鋼管混凝土，單根腹桿采用雙肢槽鋼，下弦采用角鋼并埋設(shè)在12 cm 的混凝土底板中，上弦頂面設(shè)置“X”型型鋼平聯(lián)，在橫隔板位置設(shè)置型鋼剪刀撐。具體構(gòu)造見(jiàn)圖9。

圖9 帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架斷面

上述3 種轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系中，雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體重量最大，單個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體重量達(dá)47 600 kN；勁性骨架方案轉(zhuǎn)體重量最小，單個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體重量約34 500 kN，開(kāi)口薄壁箱轉(zhuǎn)體重量介入兩者之間。 雙肋閉口箱轉(zhuǎn)體重量大需要的背墻平衡重相對(duì)要大，較帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架方案單個(gè)背墻增加約350 m3混凝土,但轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)可以節(jié)省約200 t 的型鋼鋼材及其制造安裝費(fèi)用，總的造價(jià)上反而較低。

2.4 雙肋閉口薄壁箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

轉(zhuǎn)體拱橋的轉(zhuǎn)出橋體為大懸臂拱形偏心受壓結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體過(guò)程中存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，采用開(kāi)口薄壁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)出橋體橫向整體側(cè)傾和橫向扭曲失穩(wěn)往往先于縱向失穩(wěn)，因此小溪河大橋的雙肋閉口薄壁箱采用2 個(gè)閉口邊箱型式來(lái)增強(qiáng)拱肋的橫向抗扭剛度，并且2 個(gè)閉口箱設(shè)置了鋼筋混凝土的箱間橫隔板。 為了驗(yàn)證雙肋閉口箱較之開(kāi)口薄壁箱穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)，采用邁達(dá)斯軟件（Midas Civil）進(jìn)行建模對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 開(kāi)口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)

圖11 雙肋閉口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)

計(jì)算結(jié)果顯示開(kāi)口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向扭曲失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)K=5.52，雙肋閉口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)為面內(nèi)的縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)為K=15.4，雙肋閉口薄壁箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性能明顯優(yōu)于開(kāi)口薄壁箱。

2.5 雙肋閉口薄壁箱細(xì)部構(gòu)造處理

開(kāi)口薄壁箱或雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體階段在L/4拱肋斷面上緣處于受拉狀態(tài)，需在加強(qiáng)上緣的普通鋼筋配置，開(kāi)口薄壁箱配置的加強(qiáng)普通鋼筋空間受限，花江大橋僅布設(shè)了8 根直徑28 mm 的加強(qiáng)鋼筋（見(jiàn)圖12）。 雙肋閉口薄壁箱由于設(shè)有頂板，加強(qiáng)鋼筋布設(shè)空間更大，小溪河大橋在此區(qū)域布設(shè)了24 根直徑28 mm 的普通鋼筋（見(jiàn)圖13）。雙肋閉口箱因?yàn)榕渲昧烁嗟募訌?qiáng)普通鋼筋，拱肋的抗裂性能更好。

圖12 開(kāi)口薄壁箱L/4 加強(qiáng)筋大樣

圖13 雙肋閉口薄壁箱L/4 加強(qiáng)筋大樣

相對(duì)于開(kāi)口薄壁箱，雙肋閉口薄壁箱的兩邊箱箱內(nèi)底板加厚及橫隔板混凝土需要在箱內(nèi)密閉環(huán)境進(jìn)行，施工操作上要困難一些。設(shè)計(jì)時(shí)按照15~20 m間距在邊箱頂板上設(shè)置1 個(gè)60 cm×60 cm 的人孔以方便澆筑底板二期混凝土。 邊箱內(nèi)橫隔板在轉(zhuǎn)體時(shí)將橫隔板內(nèi)鋼筋一起帶出，二期澆筑混凝土?xí)r在橫隔板上方的頂板上開(kāi)3 個(gè)直徑10 cm 的混凝土灌注孔即可，見(jiàn)圖14。

圖14 混凝土灌注孔大樣

雙肋閉口薄壁箱設(shè)有頂板和中箱的混凝土橫隔板結(jié)構(gòu)，扣索在穿越拱箱時(shí)存在交織，因此在澆筑邊箱頂板及中箱橫隔板時(shí)應(yīng)注意預(yù)埋穿索孔，見(jiàn)圖15。穿索孔應(yīng)定位準(zhǔn)確，定位時(shí)應(yīng)考慮預(yù)拱值，另外穿索孔要適當(dāng)做得大一點(diǎn)，適應(yīng)脫架后的變形，確?？鬯骼瓧U不觸碰到頂板及橫隔板，避免造成局部應(yīng)力破壞。

圖15 穿索孔大樣

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，小溪河大橋設(shè)計(jì)在總結(jié)常規(guī)的轉(zhuǎn)出橋體基礎(chǔ)上，提出了雙肋閉口薄壁箱作為轉(zhuǎn)出橋體的創(chuàng)新方案。該方案在穩(wěn)定性和抗裂性上優(yōu)于開(kāi)口薄壁箱結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)于帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架結(jié)構(gòu)，也不需要專(zhuān)業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)制作安裝隊(duì)伍，更利于條件受限的橋位現(xiàn)場(chǎng)。該橋于2013 年順利轉(zhuǎn)體，2014 年建成通車(chē)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了明顯的社會(huì)效益，得到業(yè)主及同行一致認(rèn)可，值得在類(lèi)似橋型設(shè)計(jì)中推廣。