鋼管混凝土拱橋方案設(shè)計(jì)優(yōu)化探析

覃仁昊,夏 豪

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550000;2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

德江（合興）至余慶高速公路的實(shí)施是對我省黔北地區(qū)高速公路網(wǎng)有益補(bǔ)充和完善，是連接安江高速的一條快速通道，建成后將把貴州省高速公路網(wǎng)中南北走向沿河至榕江的高速公路連接貫通。烏江特大橋位于K51+588.46~K53+421.04處，跨越烏江，是德余高速公路控制性工程。德余高速建成后將極大地促進(jìn)沿線的資源開發(fā)，促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和少數(shù)民族的脫貧致富，同步全面建成小康社會(huì)具有重大意義。

1 工程概況

德余高速公路起于德江縣合興鎮(zhèn)東側(cè)的青杠園附近，順接已建成通車的沿德高速，終點(diǎn)設(shè)小腮樞紐接遵余高速，路線全長約104.0 km。烏江特大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

公路等級：雙向四車道高速公路。

設(shè)計(jì)行車速度：80 km/h。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

橋梁荷載等級：公路—Ⅰ級。

橋面寬度：0.55 m（護(hù)欄）+11.95 m（車行道）+0.5 m（護(hù)欄）+11.95 m（車行道）+0.55（護(hù)欄），橋梁全寬25.5 m。

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。根據(jù)初勘報(bào)告，測時(shí)水位438.26 m（2018年11月），水位444.15 m。

通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河HI—（3）級，設(shè)計(jì)最高通航水位441.3 m，設(shè)計(jì)最低通航水位431.0 m。通航凈寬110 m，凈高10 m。

地震基本烈度：地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震基本烈度Ⅵ度。

2 橋梁方案選擇

橋位處于典型的“U”形河谷，橋梁上跨烏江，江面較寬、岸坡較緩，且橋位處為烏江廊道風(fēng)景區(qū)，橋型的選擇應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度、后期養(yǎng)護(hù)及景觀效果多維度出發(fā)、綜合考慮。橋位處的橋型方案類型比較多，如懸索橋、斜拉橋、拱橋，但考慮盡可能降低工程規(guī)模、保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)兼顧高景觀要求，選取了兩個(gè)方案進(jìn)行比較：

方案一：（203+450+203）m組合梁斜拉橋。

方案二：475 m上承式鋼管混凝土拱橋，橋型布置見圖1。

圖1 拱橋方案

2.1 景觀方面效果比較

通過地形的協(xié)調(diào)性及景觀的比較，兩方案都與地形地貌配合較好，但鋼管混凝土拱橋拱軸線型與地形切合度更高，線形更加優(yōu)美，能較好地滿足烏江廊道風(fēng)景區(qū)對景觀的需求[1]。斜拉橋?yàn)槌Ｒ?guī)的雙塔結(jié)構(gòu)，氣勢雄偉，人工建筑特點(diǎn)突出，現(xiàn)代感太強(qiáng)，不能較好地融入景區(qū)自然環(huán)境。

2.2 施工控制技術(shù)和難易程度比較

對于斜拉橋的高塔施工技術(shù)日益成熟，主梁采用掛籃懸臂施工，施工工藝成熟可靠[2]。鋼管拱橋纜索吊裝施工技術(shù)已在多座類似橋梁實(shí)施，經(jīng)驗(yàn)成熟，因此施工難易程度相當(dāng)，施工工藝都比較成熟。

2.3 工程造價(jià)比較

鋼管混凝土拱橋造價(jià)較低，約為44 000萬元。斜拉橋方案造價(jià)較高，約為49 600萬元，兩個(gè)方案相差5 600萬元。

2.4 后期養(yǎng)護(hù)比較

橋位所處環(huán)境對方案的影響都不太大。鋼管拱的拱圈構(gòu)件、拱上立柱、主梁需要定期檢查養(yǎng)護(hù)。斜拉橋的拉索需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)更換，且更換費(fèi)用較高，主梁索塔的應(yīng)力及應(yīng)變需要長期檢測[3]。

綜合以上比較，將475 m上承式鋼管混凝土拱橋作為該項(xiàng)目的推薦方案。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

主橋?yàn)闃蜷L504 m（計(jì)算跨徑475 m）上承式鋼管混凝土拱橋，為拱、梁、柱剛結(jié)協(xié)同受力體系。主拱肋采用由8根D1400 mm鋼管通過腹桿、橫聯(lián)和風(fēng)撐組成的等寬變高度空間桁架結(jié)構(gòu)。主拱肋弦管內(nèi)填充及拱腳外包混凝土采用C70自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。拱上立柱采用雙矩形薄壁等截面鋼箱斷面。橋面系采用跨徑33.6 m槽型鋼箱梁+粗骨料活性粉末混凝土（UHPC）橋面板的連續(xù)組合結(jié)構(gòu)。拱上立柱與橋面系鋼梁固結(jié)，在交界墩處設(shè)置縱向活動(dòng)、橫向限位球型鋼支座。兩岸拱座均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，置于中風(fēng)化巖層中。

烏江特大橋基于踐行科技創(chuàng)新發(fā)展驅(qū)動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的理念，力爭在結(jié)構(gòu)體系、施工工藝、新材料應(yīng)用以及運(yùn)營管養(yǎng)等方面有所突破和創(chuàng)新，提出以下設(shè)計(jì)思想：工廠化制作、大節(jié)段水運(yùn)，減少現(xiàn)場焊接，腹桿及風(fēng)撐采用箱形或H形焊接桿件，便于現(xiàn)場栓接，確保工程質(zhì)量。采用整體性強(qiáng)的橋面系，拱、梁、柱協(xié)同受力，提高結(jié)構(gòu)整體性和安全度。采用UHPC橋面板，減輕結(jié)構(gòu)自重，簡化施工工藝，避免橋面板開裂，提高橋梁耐久性。

3.2 拱肋安裝節(jié)段劃分

目前對于鋼管混凝土拱橋拱肋安裝節(jié)段的劃分國內(nèi)有兩種做法：一種是將受力分段節(jié)點(diǎn)設(shè)置在拱上立柱之間，立柱位置對應(yīng)處為單排豎腹桿，兩者中線吻合；另一種是在拱上立柱對應(yīng)位置處設(shè)拱肋分段點(diǎn)，其縱向兩側(cè)對稱設(shè)置拱肋雙豎桿。兩種方式各有利弊。前一種的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)段劃分比較靈活，不受立柱位置的嚴(yán)格限制，拱肋桁架構(gòu)件簡單；后一種的優(yōu)點(diǎn)是豎腹桿設(shè)置在分段點(diǎn)處，和立柱位置相對應(yīng)，此處腹桿位置距離很近，增大了集中力作用點(diǎn)處上弦桿的剛度，解決了上承式鋼管混凝土拱橋（特別是特大跨徑的拱橋）立柱和拱肋之間節(jié)點(diǎn)荷載過大，對應(yīng)位置剛度不足的問題，削減了拱肋節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的峰值，明顯提高了拱肋承載力[4]。

該橋?qū)儆谔卮罂鐝綐蛄海吧狭⒅g距較大，如節(jié)段劃分在立柱處，吊裝重量較大，吊裝困難，為滿足烏江水運(yùn)沿線水電站船閘10.8 m的限寬及吊裝重量的靈活控制，拱肋腹桿采用N型桁架，如圖2所示。

圖2 N型桁架腹桿布置方案

3.3 拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用上承式鋼管混凝土變截面桁架拱（計(jì)算跨徑475 m），拱軸線型采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.2，矢高為90 m，矢跨比為1/5.278。

主拱肋采用等寬變高度空間桁架結(jié)構(gòu)體系，主弦管拱頂截面中心徑向高度為7 m，拱腳截面主弦管徑向高度為10.0 m，拱截面徑向高度拱腳至拱頂按二次拋物線變化。每片拱肋由四根外徑1 400 mm鋼管混凝土弦管組成，上下各布置兩根鋼管混凝土弦管，弦管之間橫向中心間距為2.5 m，橫橋向兩片拱肋的中心距為16 m。拱肋內(nèi)設(shè)橫聯(lián)，肋間設(shè)置風(fēng)撐平聯(lián)和X撐，如圖3所示。

圖3 拱肋桁架橫斷面布置

3.3.1 拱肋弦管

弦桿的壁厚對受力和鋼材用量的影響都很大，桁架式鋼管混凝土拱橋的受力特點(diǎn)是拱腳段截面下弦軸壓力大于上弦軸壓力，拱頂段截面的下弦軸向壓力小于上弦桿軸向壓力，1/4附近則位于中間狀態(tài)。該橋跨徑為475 m，由拱腳至拱頂分3段確定管徑壁厚。

3.3.2 拱肋腹桿截面設(shè)計(jì)

拱肋桁架的腹桿截面形式的選擇，國內(nèi)有三種方案，要點(diǎn)如下：

（1）腹桿與斜腹桿均采用圓形鋼管。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，工廠加工工作量較少，施工過程中通過焊縫調(diào)節(jié)部分放樣誤差，節(jié)點(diǎn)之間外形簡易流暢。此種方案缺點(diǎn)也很明顯，貫線焊縫根部的焊接比較困難，容易產(chǎn)生焊接缺陷。

（2）豎腹桿和斜腹桿采用箱型截面和工字型截面。該結(jié)構(gòu)可克服鋼管結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。這種形式的腹桿與主桿連接工藝比較復(fù)雜。在主管與腹桿相連接的位置均需要設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，節(jié)點(diǎn)板與弦桿焊接，腹桿采用扭剪型高強(qiáng)度摩擦型螺栓和節(jié)點(diǎn)板連接形成整體。

（3）斜腹桿與豎腹桿均采用焊接H型型鋼。腹桿與弦桿的連接仍采用節(jié)點(diǎn)板焊接連接。

3.3.3 拱肋內(nèi)橫聯(lián)

主桁架之間橫向聯(lián)系的形式對拱肋桁架的橫向穩(wěn)定性、抗扭性能都有很大程度上的影響，因此在桁架結(jié)構(gòu)中對此部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得十分重要[5]。

單片拱肋之間的橫聯(lián)結(jié)構(gòu)通常由上下平聯(lián)桿和內(nèi)剪力撐組成。該次設(shè)計(jì)內(nèi)剪力撐采用豎向一字形剪力撐。這一方案最大優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單，施工質(zhì)量最容易保障。為克服拱肋抗扭剛度弱，上下弦平聯(lián)采用箱型截面。腹桿間距橫聯(lián)除拱腳F1和F2腹桿間橫聯(lián)采用箱型截面外，其余均采用工字型截面。

3.3.4 拱肋間風(fēng)撐設(shè)計(jì)

拱肋間上下弦管均采用傳統(tǒng)的K撐，均采用箱型截面。K型節(jié)點(diǎn)采用整體焊接節(jié)點(diǎn)板，與風(fēng)撐平聯(lián)桿件采用工廠焊接、工地組拼栓接的連接方式。

拱肋均采用傳統(tǒng)的X撐，設(shè)置于立柱下方的徑向腹桿平面內(nèi)，采用焊接H型截面，采用高強(qiáng)螺栓栓接。

3.4 拱上立柱設(shè)計(jì)

拱上立柱的設(shè)計(jì)，國內(nèi)有單排和雙排鋼管排架以及鋼箱截面立柱兩種方案。其要點(diǎn)如下：

單排和雙排鋼管排架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是立柱鋼管內(nèi)灌注高強(qiáng)度混凝土，增加的荷載自重較大。通過對最高排架穩(wěn)定性分析表明，立柱鋼管內(nèi)灌注高強(qiáng)度混凝土對其穩(wěn)定性影響不大。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在山區(qū)V形峽谷區(qū)域，拱肋結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較為敏感，采用鏤空的格構(gòu)式圓形鋼管結(jié)構(gòu)立柱，可大幅降低橫、縱向風(fēng)荷載值。

鋼箱截面立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是鋼箱截面在滿足承載能力和穩(wěn)定性要求的前提下，立柱荷載可大幅度減少，降低拱肋荷載。

烏江特大橋跨度475 m，為國內(nèi)最大跨度的上承式鋼管混凝土拱橋，已經(jīng)達(dá)到上承式鋼管混凝土拱橋經(jīng)濟(jì)跨徑的上限，因此減輕拱上建筑的自重，對降低主要拱肋荷載意義重大。該橋?yàn)闇p去立柱重量，立柱截面采用鋼箱截面。

3.5 橋面系設(shè)計(jì)

由于該橋?qū)儆谳^大橋?qū)挊蛄?，如何減輕拱上建筑的自重，對降低主要拱肋荷載意義重大，因此主要考慮組合梁與立柱固結(jié)方案，如圖4所示。

圖4 組合梁與立柱固結(jié)方案

施工便捷方面：采用無蓋梁設(shè)計(jì)，取消了蓋梁，減輕拱肋荷載，柱梁固結(jié)，簡化了施工工序。

立柱受力方面：對立柱的內(nèi)力影響不大，但可以改變內(nèi)力分布，特別是對高立柱的內(nèi)力分布更加均勻，材料利用更加趨于合理。

結(jié)構(gòu)疲勞性能方面：采用主縱梁與柱固結(jié)，受力更加明確。從施工便捷、立柱受力、疲勞性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)各方面考慮，該橋采用組合梁與立柱固結(jié)方案作為橋面系結(jié)構(gòu)。主梁采用“槽型鋼箱梁+粗骨料活性粉末混凝土橋面板”的整幅組合結(jié)構(gòu)，采用雙梁結(jié)構(gòu)，梁高2.25 m。鋼主梁采用斜腹板形式，由上翼緣板、腹板、腹板加勁肋、底板、底板加勁肋、橫隔板及橫肋組成。單片鋼箱梁腹板中心間距2.7 m，兩片鋼箱梁中心間距16.0 m，中間設(shè)置小縱梁。

3.6 拱肋防脫空措施設(shè)計(jì)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)使用中存在的較大問題是鋼—混凝土的截面損傷（脫空）會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量安全。鋼管混凝土拱橋與RC箱型拱橋比較，因自重小很多，最大跨徑不斷被突破。難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)主要集中在鋼管混凝土的灌注、高空焊接和拼裝穩(wěn)定性三大問題上。對于確保鋼管混凝土灌注質(zhì)量、防止脫空效果，該橋?yàn)榉乐构袄呙摽?，采取了如下設(shè)計(jì)：①“三級連續(xù)接力”法配合真空輔助法灌注拱肋鋼管混凝土；②鋼管內(nèi)布置栓釘。

3.7 拱腳臨時(shí)鉸封固時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)

目前，對于鋼管混凝土臨時(shí)封鉸傳統(tǒng)的做法是在拱肋合龍，拱軸線調(diào)整完成后。一些實(shí)橋的觀測資料表明，封鉸的最佳時(shí)機(jī)不一定是在拱肋合龍之后。因此，該橋臨時(shí)鉸封固時(shí)機(jī)根據(jù)施工監(jiān)控要求控制。

4 結(jié)語

烏江特大橋是主跨為475 m的上承式鋼管混凝土拱橋。該文在總結(jié)以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對鋼管混凝土拱橋施工及受力的問題，對結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新。目前，橋梁正在施工中，建成后，橋梁將成為上承式鋼管混凝土跨徑之最，可為同類型橋梁的建設(shè)、施工提供參考依據(jù)。