鋼管混凝土三肋系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力分析

劉全孟

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，四川成都 610031）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于南充市橫跨蘭渝鐵路南充火車站11道軌道，橋梁采用下承式鋼管混凝土三肋系桿拱橋，計(jì)算跨徑組合為1×120 m。橋面縱坡采用0.3%，橫坡采用1.5%，主橋橋梁全長(zhǎng)123.2 m。橋面橫向布置為：1.5 m（邊拱肋范圍）+0.5 m（防撞墻）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墻）+12.25 m（行車道）+2.5 m（中央分隔帶、防撞墻、中拱肋）+12.25 m（行車道）+0.5 m（防撞墻）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墻）+1.5 m（邊拱肋范圍），結(jié)構(gòu)全寬38 m。

2 技術(shù)指標(biāo)

（1）道路等級(jí)：城市主干道；雙向6車道。

（2）路線線性標(biāo)準(zhǔn)：本橋位于直線上，橋面縱坡為0.3%；行車道1.5%雙面坡，人行道2%向內(nèi)單面坡。

（3）設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。

（4）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；橋梁設(shè)計(jì)使用年限100年。

（5）安全等級(jí)：一級(jí)；跨蘭渝鐵路凈空約12 m。

3 主橋設(shè)計(jì)

3.1 鋼管混凝土主拱及風(fēng)撐概況

拱軸線形狀直接影響到拱肋截面的受力，對(duì)于下承式系桿拱橋，橋面系重量通過均勻分布的吊桿傳遞給拱肋，拱肋在跨徑方向承受的荷載相對(duì)均勻，選擇2次拋物線為拱軸線是合理的。下承式系桿拱矢跨比不宜太小，矢跨比越小，系桿承受的拉應(yīng)力越大，需要布置的預(yù)應(yīng)力鋼束就越多；其次橫撐布置位置就會(huì)降低，容易使人產(chǎn)生壓抑感，不美觀。

拱肋的理論計(jì)算跨徑為L(zhǎng)0=120 m，計(jì)算矢高24 m，矢跨比f=1/5，理論拱軸線方程為y=4fx（L-x）/L02。橋面結(jié)構(gòu)橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁，順橋向與系梁連接，行車道板采用5 m跨徑鋼筋混凝土空心板，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)。

全橋共設(shè)三榀鋼管混凝土拱肋，拱肋截面為啞鈴形，高300 cm，寬120 cm；鋼管主材采用Q345qC鋼材，內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，上下主鋼管直徑為120 cm，鋼管內(nèi)設(shè)置厚度16 mm Q235加勁環(huán)形鋼板。邊肋鋼管壁厚δ=16 mm，拱肋上下弦管之間連接腹板δ=16 mm，腹板間距60 cm；中肋鋼管壁厚δ=24 mm，拱肋上下弦管之間連接腹板δ=24 mm，腹板間距60 cm；腹板間除拱腳面以外4.2 m范圍及吊桿縱向1.0 m（邊肋）、1.5 m（中肋）范圍灌注混凝土外其余均不灌注混凝土，腹板線方向1 m對(duì)稱設(shè)置一道橫向加勁肋；腹板居中設(shè)一道縱向加勁肋。

拱肋之間共設(shè)7道一字組合橫撐，橫撐上、下弦管采用外徑80 cm、壁厚δ=1 cm的鋼管，橫撐橫向、豎向連接管采用外徑40 cm、壁厚δ=1 cm的空鋼管，鋼結(jié)構(gòu)受力滿足相關(guān)要求[1]。

3.2 系桿、橫梁和橋面構(gòu)造

①系梁全長(zhǎng)123.2 m，系梁梁高2.7 m；邊系梁寬1.8 m，在梁端7.5 m范圍內(nèi)向外側(cè)加寬至2.3 m，腹板厚45 cm，頂板厚40 cm，吊桿錨箱處實(shí)心段長(zhǎng)1.2 m，邊系梁配置20束15?s15.2和4束12?s15.2的鋼絞線；中系梁寬3.5 m，腹板厚50 cm，頂板厚45 cm，吊桿錨箱處實(shí)心段長(zhǎng)1.7 m，中系梁配置28束15?s15.2的鋼絞線；系梁端拱腳處7.5 m采用C50聚丙乙烯纖維混凝土。

（2）橫梁：全橋共設(shè)22道預(yù)應(yīng)力混凝土中橫梁和2道端橫梁。中橫梁采用T形實(shí)心截面，橫梁底寬50 cm，橫梁翼緣寬90 cm，每個(gè)中橫梁配置6束9?s15.2的鋼絞線。端橫梁采用矩形空心截面，梁寬4.5 m，高3.5 m，頂板厚60 cm，腹板厚80 cm，每個(gè)端橫梁配置18束15?s15.2的鋼絞線。

（3）橋面板采用鋼筋混凝土空心板梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，梁高35 cm，邊板寬147 cm，中板寬124 cm，板梁間隙1 cm，采用絞縫連接，預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度4.5 m（中跨）和4.75 m（邊跨），兩側(cè)預(yù)留25 cm的現(xiàn)澆段，車行道板直接放置在橫梁上，不設(shè)支座；鉸縫混凝土采用小石子混凝土。

3.3 拱橋吊桿及吊桿錨箱

三片拱肋共設(shè)66對(duì)吊桿，邊肋單吊桿，中肋為雙吊桿，第一根吊桿理論中心線距離支點(diǎn)7.5 m，其余吊桿理論中心線間距均為5.0 m。每根吊桿均由85絲直徑7 mm的PES.HY（FD）低應(yīng)力全防腐、高強(qiáng)環(huán)氧噴涂鋼絲組成，雙吊桿之間縱向間距73 cm。在距梁頂3 m范圍內(nèi)，于吊桿PE護(hù)套外，加設(shè)0.5 mm厚的不銹鋼管予以防護(hù)。吊桿的張拉端位于拱肋上端。下錨箱設(shè)計(jì)參考了文獻(xiàn)[2]；下錨箱設(shè)計(jì)為錨固端，吊桿端頭的錨杯和鋼箱之間通過螺母和錨墊板N2傳遞力；在螺母和N2鋼板之間設(shè)置萬向腳裝置，適應(yīng)二者之間的變形要求。鋼板之間均有焊縫，采用熔透焊縫；N2鋼板為長(zhǎng)420 mm、寬420 mm和厚40 mm；兩塊N1鋼板為寬420 mm和厚40 mm，每塊鋼板設(shè)置12根的直徑32 mm的HRB400螺紋鋼筋作為錨筋錨固于系梁混凝土中。為了減少拉板和預(yù)應(yīng)力混凝土系桿連接處應(yīng)力集中和改善下錨箱周圍積水情況，在主梁頂部錨箱周圍設(shè)置了高度10 cm的混凝土排水臺(tái)，凸臺(tái)頂面要求抹流水坡，向上微拱形成高差快速排水，側(cè)面設(shè)置4 mm側(cè)封門，側(cè)封門和N1鋼板用用螺栓連接，中間加一圈橡膠墊密封，錨箱內(nèi)錨具應(yīng)涂抹專用防腐油脂防腐，錨箱頂端設(shè)計(jì)防水蓋板和錨箱和套筒連接牢靠，所有鋼結(jié)構(gòu)都進(jìn)行防護(hù)涂裝。

3.4 拱腳設(shè)計(jì)

對(duì)于采用鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的下承式系桿拱橋，在縱梁及端橫梁相交位置設(shè)置鋼筋混凝土拱座。鋼管混凝土系桿拱橋拱腳位置需要設(shè)計(jì)縱向橫向和豎向預(yù)應(yīng)力，受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)候要考慮施工過程中鋼束之間相互關(guān)系，避免出現(xiàn)矛盾，無法施工。鋼管拱端部設(shè)置承壓板和對(duì)應(yīng)的加勁肋，腹板之間設(shè)置開孔鋼板分段焊接，主管周圍焊接直徑22 mm高150 mm焊釘。

為了提高拱腳的受力性能采用了如下措施：①拱腳混凝土采用C50聚丙烯纖維混凝土。②拱腳設(shè)置3?s15.2豎向低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。③拱腳兩側(cè)外包14 mm厚度的鋼板，兩側(cè)鋼板設(shè)置對(duì)拉鋼筋并焊接牢固，拱背設(shè)計(jì)14 mm厚度的鋼板和兩側(cè)鋼板焊接。

3.5 下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)

本橋下部結(jié)構(gòu)承臺(tái)基礎(chǔ)采用直徑200 cm（中墩）和直徑180 cm（邊墩）鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土承臺(tái)厚度為3.5 m（中墩）和3.0 m（邊墩），樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁基礎(chǔ)和承臺(tái)采用C35混凝土。墩柱及蓋梁采用矩形實(shí)心截面，中墩截面4.0 m×3.5 m，邊墩截面2.6 m×3.5 m，蓋梁截面4.5 m×2.5 m，在蓋梁引橋兩側(cè)設(shè)置墊梁。墩柱為C50鋼筋混凝土，蓋梁為C50預(yù)應(yīng)力混凝土，配置24束12?s15.2的鋼絞線。

橋梁每側(cè)設(shè)置2道防撞墻，人行道內(nèi)側(cè)及中央分隔帶兩側(cè)采用SS級(jí)防撞墻，人行橫道側(cè)采用SA級(jí)防撞墻和防拋網(wǎng)；橋梁兩側(cè)設(shè)置異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)。橋梁每側(cè)按5 m設(shè)計(jì)一個(gè)100 mm橫向排水管；接入縱向直徑300 mm縱向排水管。

4 主要施工步驟

（1）施工下部橋墩結(jié)構(gòu)，工廠制作拱肋鋼構(gòu)件。

（2）搭設(shè)施工系桿支架；并進(jìn)行預(yù)壓以消除非彈性變形影響。

（3）在支架上立模澆注分5段澆筑主梁，先澆筑跨中梁段1，然后澆筑梁段2，再澆筑梁段3；注意保證箱梁截面一次形成及系梁的預(yù)拱度，張拉系梁縱向第一批鋼束。

（4）澆筑端橫梁及分批澆筑中橫梁，張拉橫梁部分預(yù)應(yīng)力鋼束N1、N3。

（5）搭設(shè)拱安裝支架，安裝拱肋并灌注管內(nèi)混凝土，對(duì)稱張拉系梁縱向第二批鋼束。

（6）安裝吊桿，并第一次張拉。拆除主縱梁支架張拉系梁縱向第三批鋼束，張拉所有中橫梁N2鋼束。

（7）安裝預(yù)制橋面板，第二次張拉吊桿，橋面系施工。

（8）全橋施工完成，進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

對(duì)主橋采用Midas Civil進(jìn)行全橋計(jì)算分析；拱橋拱肋、系桿、端橫梁、中橫梁采用梁?jiǎn)卧?，橋面板采用板單元，吊桿采用只受拉桁架單元建模。全橋計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 全橋計(jì)算模型

三片拱肋的系桿拱橋，荷載在三個(gè)拱肋之間的分配比例與結(jié)構(gòu)自重的分布、橋梁橫斷面的布置情況等關(guān)系密切，空間特征明顯。

5.1 系桿及端中橫梁受力情況

邊系桿、中系桿、端橫梁和中橫梁的抗剪和抗彎均滿足要求[3-4]。系桿、端中橫梁應(yīng)力情況如表1所示。

表1 系桿、端中橫梁應(yīng)力情況

5.2 吊桿驗(yàn)算

吊桿設(shè)計(jì)中，在成橋階段吊桿的恒載內(nèi)力基本均勻，恒載最小值1044 kN，恒載最大值1433 kN；吊桿由拉索組成；拉索選用規(guī)格為單根85?7的鋼絲成品吊桿索，?7鋼絲吊桿破斷力按鋼絲強(qiáng)度σb=1670 MPa計(jì)算，破斷力5463 kN，標(biāo)準(zhǔn)組合下最大組合內(nèi)力1588 kN，5463/1588=3.44＞3，吊桿的安全儲(chǔ)備度滿足要求[5]。

5.3 撓度驗(yàn)算

城市－A級(jí)車道活載最大豎向位移為16.8 mm，最小豎向位移為-3.0 mm；人群活載最大豎向位移為3.4 mm，最小豎向位移為-1.0 mm；活載絕對(duì)撓度為（16.8+3.0+3.4+1.0）=24.2 mm，撓跨比為0.0242/120=1/4959＜1/1000，拱肋剛度滿足要求規(guī)規(guī)范要求[5]。

5.4 穩(wěn)定計(jì)算

主拱圈存在穩(wěn)定問題，且穩(wěn)定問題往往成為控制因素；線性一類穩(wěn)定系數(shù)要求大于4；系桿拱隨跨度的增加橫向穩(wěn)定問題較突出；橫撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響比較大。

工況①：結(jié)構(gòu)自重+全跨滿布汽車+全跨滿布人群下，為面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)8.5。工況②：結(jié)構(gòu)自重+半跨滿布汽車+半跨滿布人群下，為面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)8.96。

6 結(jié)語

三肋系桿拱橋邊、中拱肋受力差別較大，采用拱肋高度一樣，壁厚不同能保持結(jié)構(gòu)美觀，中拱肋系桿尺寸和配束大于邊拱肋尺寸和配束既滿足受力需要并節(jié)約材料，在條件受限條件下可以減少橋面寬度，節(jié)約造價(jià)。拱肋線條優(yōu)美，可加工性強(qiáng)，施工方便，節(jié)約工期，拱橋吊桿上端采用拱頂張拉，下端采用鋼錨箱錨固于橋面有利于后期養(yǎng)護(hù)和換束需求，設(shè)計(jì)凸臺(tái)和錨箱側(cè)門有利于錨箱防護(hù)和防水，提高結(jié)構(gòu)使用性能。