3跨連續中承自錨式柔性系桿拱橋設計研究

任為東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

近年來隨著基礎交通建設投入的加大,國內陸續新建了許多大跨度橋梁,橋梁設計和施工水平均不斷提高,在很多方面已經處于國際領先水平。拱橋這一在中國有著悠久歷史的橋型,也由于具有其他橋型無法比擬的景觀效果,在市政橋梁的建設中更容易獲得人們的青睞。

1 背景

拱橋通過拱肋承受橋面傳遞的豎向荷載,在拱腳處對基礎產生豎向和水平力,拱肋截面以受壓為主,從而能夠充分發揮結構材料的抗壓性能。在以前人們只能利用自然界提供的天然材料來修建橋梁以滿足人類跨越河流、溝渠時,拱橋是最適合的一種結構形式。

拱橋的受力形式有多種。對于下承式拱橋,通常讓梁、拱組合受力形成無推力的系桿拱橋,根據拱、梁的剛度大小還可分成剛梁剛拱、剛梁柔拱或柔梁剛拱,其中柔梁剛拱的形式更適合用于大跨度橋梁(圖1)。

圖1 下承式簡支系桿拱橋

下承式的系桿拱橋一般設計成單跨簡支結構,外部為靜定結構,內部為超靜定結構,可提供較高的抗剪和抗彎能力。如果橋梁受到橋下凈空的限制,一般則考慮采用中承式拱橋,橋面梁從拱肋中部通過。當拱腳處基礎可以提供足夠的水平抵抗力,也可做成單跨無鉸拱。最近幾年來,在平原地區為了跨江跨河陸續修建了多座大跨度中承式拱橋,由于平原地區的基礎地質條件大都無法提供有推力拱橋所需的水平抗力,故一種新型的橋梁形式——3跨連續中承自錨式柔性系桿拱橋應運而生(圖2)。其主要特點為利用橋面系的柔性系桿張拉力來平衡主拱恒載對基礎產生的水平推力,使主拱基礎僅承受拱肋傳來的活載及升降溫度產生的水平推力。

圖2 3跨連續中承自錨式系桿拱橋(又稱飛燕式)

2 國內幾座 3跨連續中承自錨式柔性系桿拱橋的簡介

2.1 丫髻沙大橋主橋

在此類橋梁中比較有代表性的是廣州丫髻沙大橋主橋,其修建于 1998年,竣工通車在 2000年 6月。主橋跨度為 76m+360m+76m 3跨連續自錨式鋼管混凝土拱橋,橋面為雙向 6車道并設緊急停車帶,在當時同類型橋梁中世界排名第一。邊跨、主跨拱腳均固結于拱座,邊跨曲梁與邊墩之間設置縱橋向活動盆式橡膠支座,在兩邊跨端部之間設置鋼絞線系桿,其拉力通過邊拱拱肋來平衡主拱拱肋所產生的水平推力。結構形式是標準的 3跨“飛燕式”拱橋(圖3)。

(1)主拱拱肋采用中承式雙肋懸鏈線無鉸拱,計算跨度 344m,矢跨比 1/4.5,拱軸系數 m=2。每肋由6φ750mm鋼管混凝土組成,由橫向平聯板、腹桿連接成為鋼管混凝土桁架。在拱肋的弦管和平聯板內灌注C50高強混凝土。

(2)邊拱拱肋采用上承式雙肋懸鏈線拱,計算跨徑 71.0m,矢高 27.3m,矢跨比為 1/5.2,拱軸系數 m=2。每肋由高 4.5m、寬 3.45m的 C50鋼筋混凝土箱梁組成。

(3)橋面系:主橋橋面系為由鋼橫、縱梁組成的格子梁體系,混凝土橋面板與鋼橫梁組合截面共同受力,縱橋向受力為混凝土橋面縱梁。

圖3 丫髻沙大橋立面、平面布置(單位:mm)

(4)系桿布置在橋面系鋼橫梁每端吊點(支點)兩側,全橋共設置 10×2=20束 ,每束采用OVMXG15 37鋼絞線拉索體系,Rby=1 860 MPa。系桿外包雙層PE熱擠塑護套。每束系桿的拉力為 5 000 kN,全部施工過程中每索只需張拉一次。

2.2 盧浦大橋

盧浦大橋主橋跨度為 100m+550m+100m,主跨拱肋矢跨比 f/L=1/5.5。橋面為雙向 6車道(圖4)。其橋面系和拱肋的結構又代表了另外一種思路。全橋結構形式從外形上同丫髻沙大橋也是標準的“飛燕式”式結構,但是其邊拱系梁與拱肋、立柱、邊拱邊墩側端橫梁、中跨拱梁結合段橫梁固接,形成一穩定的三角剛架體系,有效地提高了橋梁整體的剛度。

圖4 盧浦大橋立面、平面布置(單位:m)

(1)盧浦大橋拱肋采用整體鋼箱結構,箱寬 5m,高度從拱頂 6m到拱腳 9m,橋面以上兩片拱肋間設置25道一字橫撐,橋面以下設 8道 K字撐。

(2)邊跨橋面為整體單箱多室鋼箱;主跨橋面為分離式雙箱,橋面板為正交異性鋼板。主跨加勁梁的兩端支承在主跨拱梁交匯處的橫梁上,端支承為縱向滑動支座。橫橋向和縱橋向設置阻尼裝置。邊跨橋面加勁梁兩端分別與拱肋固接。

(3)在兩邊邊跨端橫梁之間設置 16道水平系桿,以平衡主跨產生的近 200 000kN的水平推力。每根系桿由 421φ7mm平行鋼絲束組成,單根長度 761m。

2.3 新光大橋

新光大橋的主橋跨度為 177m+428m+177 m 3跨中承式拱橋,主跨矢跨比 f/L=1/4。橋面為雙向 6車道(圖5)。

(1)拱肋結構:主、邊拱拱肋均為鋼箱桁架結構,兩拱肋的橫向中心距為 28.1m。拱頂截面徑向高為7.5m,拱腳截面徑向高為 12.0m。拱肋上、下弦均為箱形斷面,箱高為 1.58m,箱內寬為 2.10m;拱肋腹桿為“H”形截面,與上、下弦整體節點板通過高強度螺栓連接。

圖5 新光大橋立面、平面布置(單位:m)

全橋共設置 11組橫撐,主拱拱肋 7組,兩邊拱拱肋各 2組。鋼桁拱肋間為桁架式橫撐。

(2)橋面結構:主跨由鋼橫梁、鋼縱梁、鋼筋混凝土橋面板組成,為半漂浮式橋面結構體系。主跨部分由吊桿支承鋼橫梁,其余鋼橫梁放在三角剛架橋面梁的槽口上,并在鋼橫梁下翼緣兩端設置順橋向活動球型鋼支座釋放橋面結構產生的巨大水平力。鋼橫梁、縱梁組成了橋面格子梁體系,在鋼縱、橫梁頂面上布置φ22mm圓柱頭焊釘與鋼筋混凝土橋面板形成結合梁結構。

邊跨是指邊拱及三角剛架部分。此部分橋面結構由邊拱混凝土系桿或三角剛架橋面系梁 +混凝土縱、橫梁 +預制橋面板 +后澆層組成。混凝土橫、縱梁組成了橋面格子梁體系,預制橋面板支承于縱橫梁頂面,澆筑接縫混凝土和橋面后澆層形成整體橋面板。邊跨橋面結構的質量根據平衡主拱傳給三角剛架豎向反力的原則確定。

邊拱系桿采用預應力混凝土結構,承擔邊跨拱肋傳來的水平拉力。

三角剛架系梁為實體矩形截面,兩側斜腿為主跨、邊跨拱圈的延續,斜腿為鋼筋混凝土結構。

(3)主跨系桿采用 199φ7mm平行鋼絲索,在橋面系上對應每個拱肋布置 8束系桿,全橋共 8×2=16根。系桿兩端錨固于三角剛架處主拱拱肋上弦桿外側。

新光大橋三角剛構的兩側斜腿為拱肋的延續,并同橋面系梁固結,形成穩定的三角剛構結構。在兩側三角剛構頂面處主拱鋼拱肋間對拉柔性系桿平衡主拱產生的水平推力,邊拱的橋面系與拱肋固接,通過在邊墩頂設置縱向滑動支座,釋放邊拱的水平推力。所以新光大橋也可以看作是固結在三角剛構上的 3跨下承式拱橋。

上述 3座橋梁結構體系其實不盡相同,其中丫髻沙大橋主橋是標準飛燕式 3跨拱橋,其橋面系在全橋范圍內均為半漂浮,整個結構受力體系最為明確;盧浦大橋、新光大橋兩橋的受力體系有些類似,都是剛構、拱橋的組合體系,其中盧浦大橋的三角剛架斜腿和系梁均為鋼結構而新光大橋則為混凝土結構,所以新光大橋的三角剛架抗推剛度要遠大于盧浦大橋,相應的主跨鋼拱肋的計算跨度也減小了。

通過對以上 3座近年來建設的大跨度 3跨中承式自錨式柔性系桿拱橋的介紹,初步了解了此類型橋梁的主要結構形式。

3 關鍵技術設計

3.1 確定結構受力體系

此類型橋梁關鍵是結合邊拱的跨度需要而確定不同的結構受力體系。

當邊跨跨度較小時,可設計成為類似丫髻沙大橋、盧浦大橋的“飛燕式”結構體系。邊拱拱肋為上承式,并在兩側邊拱橋面位置的拱肋端部設置對拉水平系桿,系桿的水平拉力通過邊拱拱肋傳至拱座處來平衡主拱拱肋產生的水平力,形成自平衡體系。

當邊跨由于橋下通行凈空的需要跨度較大時,可設計成新光大橋的“3跨連續剛構拱橋”結構體系。此種結構體系的三角剛構的剛度要足夠大,以保證將上部拱肋和橋面系結構的豎向荷載傳至拱座基礎上。通過對新光大橋進行計算分析,當主拱的系桿錨固在三角剛構邊拱側斜腿頂面時,三角剛構系梁的預應力效應可達到 90%,系桿水平力的傳力途徑為沿三角剛構的水平系梁至主拱鋼拱肋,而不會沿斜腿傳至拱座處,所以主拱系桿錨固在主拱鋼拱肋橋面位置處同錨固在三角剛構邊跨側斜腿端部的傳力效果是一樣的,從而簡化了結構設計。

3.2 系桿體系的選取

系桿是自錨式拱橋的生命線,其安全性能決定了大橋的安全。目前柔性系桿的材料主要有平行鋼絲束和平行鋼絞線兩種,其中平行鋼絞線還根據張拉墩位和索長的大小分工廠整束擠壓索和索體整束、現場錨固的兩種類型。

平行鋼絲束拉索體系和整束擠壓的鋼絞線索體由于完全是工廠化加工,只要在施工過程中注意保護索體不受損壞,其耐久性有保證。由于系桿在出廠時其長度已經固定,而靠錨頭所能調節的長度范圍有限,故一定要準確計算其理論長度和伸長量。另外由于系桿錨頭的尺寸較索體大很多,故施工中拖拉系桿的施工難度比較大。其中平行鋼絞線系桿在外層護套內的每根鋼絞線外側還有一道防護套,所以理論上要比鋼絲束的索體耐久性更好。

當單根系桿的長度和張拉墩位較大時,一般采用索體工廠整體加工,現場進行張拉錨固的鋼絞線拉索體系,拖拉系桿時沒有錨頭的干擾,施工難度也比較小。但是由于在系桿張拉前要剝掉伸入錨固套筒內鋼絞線的 PE保護層,故其伸長量的計算要準確無誤。另外其錨固體系要通過現場施工形成,其結構的耐久性能還取決于現場施工質量。

3.3 橋面系的結構形式

由于主跨結構自重決定了需平衡的水平力的大小,故為了能夠增加跨度和減小基礎規模,主跨的橋面結構形式一般設計為鋼—混組合體系或鋼結構。鋼—混組合體系一般主要是指目前采用較多的鋼橫、縱梁加混凝土橋面板的結構形式,這種橋面結構的優點是橋面系的桿件都較小,可分成鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板分別吊裝,并可多個工作面同時作業,施工難度較小,最大吊裝質量 30 t(鋼橫梁)。由于采用了結合梁的受力體系,其自重比混凝土橋面系降低很多。另外由于鋼橫、縱梁連接可大量采用栓接,施工速度比較快。缺點是由于要現場澆筑橋面板在鋼橫、縱梁處的濕接縫,其施工質量直接影響橋面系的結構耐久性和使用安全。

鋼結構橋面可考慮整體鋼箱或橫、縱格子梁體系,橋面板為正交異性板。如果采用整體鋼箱,安裝時吊裝質量要重些,如采用正交異性鋼橋面板結構則可以將橋面結構橫、縱向分塊,吊裝后連接。目前橋面系鋼結構的工地連接大多采用工地焊接,施工精度比較容易滿足,另外注意橋面板處的節段間連接如采用高強度螺栓連接也會影響后期鋪裝層的施工,所以一般盡量避免此部位采用栓接。

3.4 拱肋的結構形式

丫髻沙大橋的拱肋為 6管式鋼管混凝土,目前大多數的此類型橋梁采用是 4管式鋼管混凝土。采用鋼管混凝土拱肋的此種柔性系桿拱橋已經很難在跨度上有大的突破了,這主要是因為采用鋼管混凝土結構拱肋的自重同比鋼結構要大很多,相應的由恒載產生的拱座的水平反力會增大,為此要張拉更多的橋面水平系桿來平衡基礎的不平衡反力;另外,在灌注鋼管內混凝土時,由于此時拱肋的受力模型為鋼管桁架體系,而灌注的混凝土為荷載,當跨度較大時,拱肋結構施工狀態時的穩定會成為控制關鍵點。

鋼結構拱肋又有鋼桁結構和整體鋼箱結構兩種,兩者各有優缺點,鋼桁結構可以節省部分鋼材,特別是當活載所占全橋荷載比例較大時,可以充分發揮桁架結構抗彎性能好的優點。桁架拱由于桿件節段質量小,吊裝容易,相應方便了現場的安裝,但是其節點較多,連接和加工復雜,精度控制要求較高。鋼箱結構節段質量大,安裝難度也大,對安裝設備要求高,但是安裝精度要求比桁架低,工地施工時目前多采用全截面焊接。由于受力需要,整體鋼箱結構的拱肋寬度較大,浪費了較多的橋面空間,這也是設計中不得不考慮的細節。

表1為上述 3座大橋恒載對比表,從中可以發現由于拱肋和橋面系采用了不同的結構形式對恒載的影響。

表1 主跨拱肋和橋面系(不包括二期恒載)質量t/m

4 應用前景

3跨連續中承自錨式柔性系桿拱橋由于可以有效的平衡上部結構傳來的水平推力而在近年來得到廣泛應用。在“飛燕式”拱橋的基礎上又演變出新光大橋這種“3跨連續剛構拱橋”,通過三角剛構與系桿拱橋的組合可以有效地提高了全橋的整體剛度。目前此種類型的拱橋還是主要應用在公路和市政橋梁上。

由于鐵路橋梁對橋面結構的剛度要求很高,所以這種半漂浮式橋面結構無法滿足鐵路橋梁的剛度要求。解決這個問題可通過在施工階段張拉柔性系桿來平衡恒載對基礎產生的不平衡水平推力,在成橋狀態可將橋面系與拱肋固結,從而形成施工階段為柔性系桿而成橋狀態為剛性系桿的受力模式,通過這樣體系的轉換來滿足鐵路橋梁對結構剛度的要求(圖6)。

由于鐵路橋梁的橋面寬度較小,通過橋面系和主墩基礎的剛度比值可釋放掉部分橋面系由于溫度產生的水平推力,而活載產生的水平力則由橋面系和基礎共同分擔。所以經過一些構造上的調整,此類型橋梁在鐵路上也同樣有應用前景。筆者曾結合實際工程對此種拱橋結構進行了計算分析,結果表明此種結構完全能夠滿足鐵路橋梁的動、靜力荷載受力需要。

圖6 剛性、柔性系桿結合的 3跨連續中承式拱橋(單位:m)

5 結語

3跨連續中承自錨式柔性系桿拱橋有效地解決了基礎不平衡水平推力問題,故應用范圍非常廣泛,使拱橋這一古老的橋型煥發了新的生機。在此橋型的基礎上還可以根據具體條件而進行多種改變,如剛架拱橋的組合體系、先柔性后剛性系桿拱橋等,以適應不同的結構需要。

[1] 林元培,章曾煥,馬 骉,等.上海市黃埔江盧浦大橋設計[J].土木工程學報,2005,(1):70- 77.

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