中承式鋼箱坦拱橋設計

摘要：本文以某限高地區中承式鋼箱坦拱橋為實例，簡述該橋的結構設計思路，進行結構計算，同時討論了施工方案的選取。計算結果表明，該橋的強度、剛度、穩定性均滿足要求，本方案在高度受限地區適用，對其他工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞：鋼箱坦拱橋；有限元；限高地區；結構設計

1 工程概況

擬建大橋區域地勢較為平坦，南側有現狀大堤，北側現狀為駁船碼頭，兩岸地面標高2.5m左右。江底標高最深為-9.2m左右，常水位水深10m以內，江面寬約390m。西北向約3km處存在某機場，該橋在機場限高60m（與機場的相對高程）的范圍內。

根據現狀，擬建大橋應同時滿足主跨400m左右，通航凈高24m以及結構限高60m三個基本條件，鋼箱坦拱橋和矮塔斜拉橋是常規的適用橋型。但對于城市跨河橋梁而言，除滿足交通功能外，還要重視景觀要求，該橋上游已存在斜拉橋，為形成“一橋一景”的建設形態，選取中承式鋼箱坦拱橋作為最終設計方案。

2 結構設計

本方案為大斷面中承式鋼箱坦拱橋。主跨跨徑402m，矢高59.5m，中拱矢跨比f/L=6.756，拱軸線采用二次拋物線形，拱肋高5.0～9.0m；邊拱矢高13.78m，拱軸線仍為二次拋物線形，拱肋高4.0～7.0m；拱肋均為工字形鋼箱斷面，橫向寬度5.0m。加勁梁通過吊桿或立柱支承于拱肋上，梁高2.8m；加勁梁采用正交異性橋面板鋼箱梁，中跨加勁梁為開口斷面，兩端通過滑動支座支承在中橫梁上；邊跨加勁梁為閉口斷面，分別在中跨和邊跨的拱梁交匯處與拱肋固結。全橋兩邊跨端橫梁之間布置強大的水平拉索，以平衡中跨拱產生的水平推力。鋼箱拱肋間設置箱形“一”字橫撐，使其連成整體，形成穩定的結構體系，并提供強大的側向抗彎剛度以抵抗橫橋向的風荷載?？傮w布置見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖

（1）主拱

拱肋采用工字形鋼箱斷面，拱軸線按二次拋物線變化，單片拱肋橫向寬度5.0m，拱肋高度為跨中向支點漸變，漸變范圍為5.0～9.0m。拱肋鋼板厚度為：頂板板厚30mm、底板板厚30mm～35mm、腹板采用2道25mm厚鋼板；拱梁結合段位置適當加厚；拱肋加勁采用T形加勁肋。

（2）邊拱

拱肋采用工字形鋼箱斷面，拱軸線按二次拋物線變化，單片拱肋橫向寬度5.0m，拱肋高度為邊支點向中支點漸變，漸變范圍為4.0～7.0m。拱肋鋼板厚度為：頂板板厚70mm～75mm，底板板厚65mm，腹板采用2道60mm厚鋼板，系桿錨固處鋼板進行局部加強，擴散錨固集中力。為避免邊支點產生負反力，邊拱中需灌注混凝土壓重。

（3）加勁梁

橋梁主梁梁高為2.8m，中跨系梁為開口鋼箱梁，即雙主梁（帶風嘴鋼箱梁）+橫梁結構體系，兩端通過滑動支座支承在拱肋中橫梁上，縱梁頂底板及腹板均采用16mm厚鋼板，主縱梁之間設置橫梁，橫梁標準間距6m一道，與吊桿位置相對應處均設置橫梁，橫梁采用工字型斷面，頂底板與腹板均采用20mm厚鋼板，各片橫向加勁梁之間設置縱向小縱梁，以利于橫向加勁梁側向穩定及支撐橋面汽車活載。邊跨加勁梁為閉口斷面，兩端與拱肋、中橫梁及端橫梁剛結。

（4）風撐、立柱

中拱拱肋間設置7道風撐，風撐間距36m，風撐采用箱型斷面，斷面尺寸為3x3m。

邊拱圈設置立柱以支持上部梁體，單片邊拱設置2個立柱，分別位于邊跨近跨中處和中支點處，立柱采用矩形斷面，尺寸為3x3m。

（5）吊桿

吊桿擬采用1670級預應力平行鋼絲，吊桿錨具采用專用可調節可更換吊桿錨具，系桿錨具采用冷鑄鐓頭錨。上述材料技術成熟，應用廣泛，施工及運營階段安全有保障。吊桿間距采用12m，吊桿與拱肋在同一平面內。系桿錨固于邊拱肋端部，布置在吊桿兩側，縱梁頂，方便檢查維護。

（6）基礎

根據寧波地質為軟土地基的情況，本橋基礎采用基礎采用鉆孔灌注樁，上接承臺的形式，承臺為工字形承臺，外形尺寸（43.5x25.5x6）m，保持與常洪隧道塢墩結構凈距約3m，承臺不進入現狀大堤堤頂（大堤局部坡腳位置在承臺施工完成后再恢復），基礎采用1.5m鉆孔灌注樁，單片拱肋下樁基礎按6排布置，每排4根。

邊跨墩柱采用雙柱式布置，橫向布置兩個矩形墩柱，間距29.5m。基礎采用1.5m鉆孔灌注樁，3排布置，每排3根。

3 結構計算

為驗證方案的可行性，采用MIDAS程序，建立全橋的空間桿系模型，對該橋的強度、剛度和穩定性進行了驗算，計算模型見圖2。

圖2 空間桿系模型

3.1 結構強度和剛度驗算

經計算，在成橋階段，鋼箱主拱拱肋截面上緣最大應力78MPa，截面下緣最大應力88MPa；鋼箱邊拱拱肋上緣、下緣最大應力分別為176MPa、104MPa；主梁截面最大應力152Mpa。各構件最大應力均滿足小于200MPa的要求。圖3、圖4為邊拱拱肋應力圖。

分別驗算了最大懸臂階段、合龍階段、施工橋面階段及拆架成橋階段的截面應力，均滿足最大應力小于200MPa要求，見圖5～圖8。

圖5 最大懸臂階段應力圖

圖6 合龍階段應力圖

圖7 施工橋面階段應力圖

圖8 拆架成橋階段應力圖

經計算，拱肋最大活載位移為0.17m 小于L/1600=402/600=0.67m，剛度滿足要求。活載位移見圖9。

圖9 活載位移圖

3.2 結構穩定性驗算

為保證方案可行，進行了屈曲分析，結構最小穩定系數為17.3，大于普遍采用的穩定系數5，表明結構不會產生整體屈曲破壞，下面給出了四階屈曲模態圖形。

第一階屈曲模態

第二階屈曲模態

第三階屈曲模態

第四階屈曲模態

圖10 四階屈曲模態圖

4 施工方案的選擇

目前拱橋施工中常用的方法有纜索吊裝法、懸臂拼裝法、轉體施工法和支架施工法，后二種施工方案在本工程中很難實施，因而本橋的施工只能采用前二種方及其組合方法。

纜索吊裝法在國內拱橋的施工中采用較為普遍，如四川萬縣長江大橋（主跨420米）、武漢睛川大橋（主跨280米）、浙江省千島湖南浦大橋（280米）等。采用懸臂拼裝的項目有澳大利亞悉尼港大橋（主跨503米）、萬州長江鐵路橋。

另外，機場要求限高60m為影響本工程施工方案的關鍵控制因素。由于纜索吊裝法的纜索、塔架、吊機等施工臨時設施在施工全過程均超限，因此主橋采用懸臂拼裝的施工工藝。

懸臂拼裝法是通過設置在主拱懸臂端的輕型拼裝吊機進行主拱桿件拼裝，逐段拼裝外伸，直到主拱合攏的施工方法。

在保證嚴格切線拼裝的條件下，成橋的線形和內力將為按一次落架計算所得的線形和內力。為了拱肋的順利合龍，需要反復改變邊界條件和采取措施，施工過程存在多次體系轉換。

懸臂拼裝法施工方案主要有如下特點：

①、桿件均按設計體系溫度下的無應力長度在工廠制造，斜拉扣掛懸拼安裝，用高強螺栓連接。

②、施工期間可以通過調整支點位移實現桁拱和鋼系桿跨中無應力合龍。即，不產生安裝殘余應力。

③、對鋼材材質、加工進度、安裝線形要求較高，施工工藝復雜，安全風險較大。

5 結語

本方案為大斷面中承式鋼箱坦拱橋，有別于常規拱橋，本方案中拱矢跨比較小，拱腳處產生較大的水平推力，兩邊跨端橫梁之間的設置水平拉索，用以平衡這部分水平推力。計算驗證了該橋的強度、剛度、穩定性均滿足要求，本方案在高度受限地區適用，對其他工程有一定的借鑒意義。

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