飛燕式異型鋼管混凝土拱橋設計與施工關鍵問題

陳銳

摘要: 鋼管混凝土拱橋因其自重輕、強度高、節省材料、施工方便、造價低及外形美觀而成為大跨度橋梁的一種主要形式。長春市伊通河大橋是一座在建的三跨飛燕式異型拱橋，總跨度260m，其中主跨為158m的異型鋼管混凝土拱橋。本文介紹了伊通河大橋的結構特點、設計及施工關鍵問題；利用考慮應力累積的方法計算了主拱肋的預拱度，為施工監測提供了依據；制定了該橋V構箱梁施工的支撐布置方案，并利用有限元數值程序MIDAS對該方案進行了優化。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；施工；支架；水化熱；預拱度

伊通河大橋工程概況

102國道跨伊通河橋梁工程是長春市四環路排水橋梁互通工程的一個重要組成部分，橋梁總長740m，包括跨伊通河主橋和兩岸引橋。主橋為三跨飛燕式異型拱橋，跨度組合為51+158+51m，兩岸引橋長度均為240m。該項目道路等級為城市Ⅰ級主干道，設計車速60km/h。橋寬40m，按雙向八車道設計，兩側設人行道（見圖1）。

主跨拱肋按構造和使用功能分為主拱肋和穩定拱肋，二者通過斜撐和橫撐形成空間結構體系（見圖1），增強了飛燕式異型拱橋的藝術表現力。主拱肋拱軸線是位于豎直平面上的二次拋物線，計算跨徑158m，矢跨比為1/4.23，拱肋截面采用三根圓鋼管形成的組合截面，內灌C50混凝土 [1]；兩側穩定拱肋拱軸線均為二次拋物線，計算跨徑120.5m，拱肋平面內的矢高為29.9773m，穩定拱平面與豎直平面夾角為21.80。系桿布置在中央分隔帶區域橋面上，兩端錨固于邊跨混凝土箱梁梁端橫梁處梁頂錨體之上，錨體為鋼筋混凝土結構，采用C50混凝土，錨體及拱座處埋設系桿預埋鋼管。

伊通河大橋主橋主跨與兩邊跨形成了三部分的受力主體。在整個受力體系中，V構前腿作為鋼管混凝土拱肋的延伸，承擔了較大的軸力與彎矩作用；V構后腿作為邊跨鋼筋混凝土箱梁的支撐，在與箱梁的交點處承受豎向力的作用。為了平衡拱肋產生的水平推力，伊通河大橋主橋在邊跨混凝土箱梁梁端設置了6根水平系桿，系桿與主跨、邊跨及主拱墩構成拱橋的四個基本組成部分，在受力過程中相互影響、相互依存。

由此可見，伊通河大橋主橋設計采用三跨飛燕式異型拱橋的結構形式，在美觀新穎的同時也帶來結構的特殊性與復雜性。尤其在拱橋施工過程中，結構體系隨著施工方法與施工步驟的變化亦有較大改變，必須對所選施工方案進行深入細致地分析才能保證整個施工過程安全順利地完成。

伊通河大橋有限元模型

本文采用大型通用軟件MIDAS/CIVIL2006建立了伊通河大橋主橋的有限元模型。模型中拱肋、V構、承臺以及樁體均采用梁單元建模，系桿和吊桿采用只受拉桁架桿單元模擬，樁土共同作用則采用彈簧單元考慮。

V構建模考慮了混凝土箱梁截面漸變的特殊形狀（見圖2），箱梁內部按設計要求配置預應力鋼絞線。鋼管混凝土拱肋截面則利用共用節點的方法模擬（見圖3），該方法既能保證鋼管和混凝土按相應材料本構模型輸入，又能確保鋼管混凝土截面可以協同工作。

主拱肋預拱度設置

拱肋是拱橋的核心受力構件，拱肋線型是影響拱肋受力性能的重要因素[2]。預拱度是拱軸線計算的重要依據，是拱肋鋼管在工廠預制加工的前提條件。只有準確計算拱肋的預拱度，才能保證拱肋在運營階段處于合理拱軸線。為了精確地得到拱肋的預拱度，必須根據施工過程，考慮應力累計逐步計算得到拱肋在完成施工后的最終變形，并反推相應的預拱度。

本文針對伊通河橋拱肋實際施工方案計算了拱肋的變形如表1。由表1可見，拱肋在澆注混凝土時變形最大，為62.3mm；其次是拆除箱梁支架工況，變形為46.2mm。拱頂在施工完成后累積變形（預拱度）為136.2mm。

表1各施工工況下主拱肋拱頂變形

伊通河大橋V構施工支架受力分析

4.1支架計算模型介紹

伊通河大橋V構采用支架法施工，支架采用Φ299×8的鋼管作為立柱，I45a工字鋼作為縱向傳力梁，立柱與傳力梁焊接形成空間受力體系。縱、橫向采用槽鋼連接保證結構穩定性。

根據實際施工方案可知，混凝土澆注過程中，混凝土濕重將通過型鋼支架體系傳遞至基礎與拱座。由于V構混凝土體積龐大，混凝土自重荷載作用十分顯著，因此支架體系的受力任務較為艱巨；此外，由于V構的造型特殊，混凝土自重荷載將對支架產生較大的水平推力，使型鋼支架體系受力更為復雜，必須充分作好防護措施，以保證施工安全順利地進行。

為提高型鋼支架體系的水平剛度，一方面將工字鋼梁與拱座預埋鋼板焊接以抵抗混凝土澆注時對支架體系的水平推力，另一方面在傳力梁下部設置預應力拉索以減輕預埋鋼板處的拉力。本文利用MIDAS軟件對支架體系進行了數值仿真模擬，分析了無預應力拉索和施加預應力拉索時支架體系的受力性能，并根據計算結果給出了預應力的張拉方案。

4.2 支架計算結果分析

有無預應力拉索情況下支架受力情況如表2所示。由表2可見，無預應力拉索時傳力梁端部節點最大拉力達到51tonf，較大的拉力易造成該節點首先破壞，進而導致支架體系縱向傾覆。采用預應力拉索后，支架體系的整體受力性能得到明顯改善，傳力梁端部節點拉力大大降低，且形成了體系承擔水平荷載的第二道防線，因此該措施效果顯著。為了保證施加預應力時結構具有良好的穩定性，建議分級張拉預應力共60tonf，每次張拉10~20tonf，且在張拉過程中不斷監控錨固點變形及傳力梁端部節點最大拉力。

表2 有無預應力拉索情況下支架受力情況列表

結論

本文介紹了飛燕式鋼管混凝土拱橋設計和施工的關鍵問題，并結合伊通河大橋分析了V構支架受力性能，得到結論如下：

1. 鋼管混凝土拱肋的最終變形是拱肋在不同施工階段下變形結果的累積，因此計算時需要考慮施工過程中結構剛度不斷調整對拱肋變形的影響；

2. V構形狀的特殊性決定了其施工的復雜程度，尤其是混凝土濕重引起的水平推力更成為了支架設計的控制因素；采用預應力拉索改善支架體系的受力性能不但顯著降低了傳力梁端節點的拉力和支架整體變形，且預應力拉索可以作為體系第二道防線以抵抗水平荷載，提高結構的可靠度；

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。