(142+61) m不對稱跨度混合承式有推力鋼管混凝土拱橋設計

涂楊志

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

信陽市春曉路跨浉河大橋是連接新十八大街浉河兩岸一座城市高架橋。大橋位于信陽市市區內，南側緊鄰龜山公園，交通便利，地勢平坦，橫跨浉河之上，跨越水面寬度約250 m，橋面高出兩岸道路約8 m，高出水面約14 m，與浉河夾角約80°，勘察期間水深0.3～1.0 m。浉河為淮河右岸的一級支流，在兩河口下游500 m處被平橋水利樞紐大壩攔截，形成寬400 m，水位70 m左右的南灣水庫灌溉樞紐節制閘，一般情況壩下平均流量3.15 m3/s。橋址區域全年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-20.0 ℃。橋址地層自上而下為第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)礫砂，承載力基本容許值200 kPa；白堊系上統周家組(K2Z)泥質粉砂巖，根據風化情況，承載力基本容許值200～450 kPa不等。地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期0.35 s。

大橋設計時充分考慮到與環境的協調性，針對場地條件、交通功能、景觀需求等特點，主橋采用造型美觀、結構新穎的(142+61) m不對稱有推力鋼管混凝土拱橋方案。立面布置見圖1。

圖1 (142+61) m鋼管混凝土拱橋立面布置(單位：cm)

2 主要設計標準

(1)道路等級及行車速度：城市快速路，60 km/h。

(2)汽車及人群荷載：汽車按城-A荷載，人群荷載集度按3.5 kN/ m2計算，并考慮滿人荷載。

(3)橋面寬度及橋面布置：橋面全寬37.5 m，由0.25 m人行道欄桿+3.5 m人非混合車道+0.25 m護欄+2.0 m吊桿錨固區+0.5 m防撞墻+12.0 m(機動車道)+0.5 m防撞墻+12.0 m(機動車道)+2.0 m吊桿錨固區+0.25 m護欄+3.5 m人非混合車道+0.25 m人行道欄桿組成。機動車道按雙向6車道布置。

(4)橋梁設計基準期：100年。

(5)橋梁設計安全等級及重要性系數：一級，結構重要性系數取1.1。

(6)水文及通航：設計洪水頻率1/100；設計水位H1%=75.19 m，H2%=74.5 m，2017年3月1日H測時=71.33 m；設計流量Q1%=1 490 m3/s。不考慮通航。

(7)設計縱坡：-0.510 1%單向坡，設計橫坡：一般段為2%人字坡。

(8)平面：小里程側41.415 m(K1+660～K1+701.415)位于R=375 m緩和曲線上，其余均位于直線上。

(9)抗震設防烈度：Ⅵ度。

3 橋式方案

3.1 橋型構思

春曉路跨浉河大橋是新十八大街在浉河上一座市政橋梁，南側緊鄰龜山公園，橋型選擇上除功能上滿足基本要求外，應充分考慮與環境的協調性。橋梁作為一種特殊的建筑，一方面通過結構線條輪廓、色彩、質地表達外形藝術，另一方面通過結構造型的新穎和獨特表達力學美，能起到提升城市建設檔次和品位，打造城市名片的作用。橋址處考慮浉河無通航要求，一跨跨越浉河條件不充分，建議采用多跨跨越浉河水域，結合場地條件及景觀因素，可采用不等跨形式，其中最大跨跨度不宜太大。浉河上現有橋梁以常規橋式、混凝土結構居多，設計力求做到使浉河上的橋式更加豐富多彩，又彼此和諧融洽。

考慮上述因素，主橋最終選定造型美觀、結構新穎的(142+61) m混合承式不對稱跨度有推力鋼管混凝土拱橋方案。(1)主拱采用(中承式+上承式)混合承式組合結構；(2)橋面板采用高度僅為36 cm“π”鋼筋混凝土板；(3)橫梁采用鋼箱或鋼箱混凝土結合梁；(4)橋面系采用以橫梁為主，縱梁為輔助漂浮式橋面結構[1-2]。效果如圖2所示。

圖2 (142+61) m鋼管混凝土拱橋效果圖

3.2 結構體系

本橋主跨142 m，邊跨61 m，邊跨、主跨跨度比為0.43。主跨拱腳、邊跨拱腳以及橋墩均固結于拱座。中間墩上設縱向固定支座，其余均設縱向活動支座。主跨2榀拱肋之間設置2道肋間橫梁，并在每榀拱肋上設置2個立柱；邊跨2榀拱肋之間設置3道肋間橫梁，并在每榀拱肋上設置4個立柱。橋墩及立柱上橫梁均與橋面板形成鋼混結合梁，每道橫梁下方設置2個支座；主跨跨中橫梁與橋面板也形成鋼混凝土結合梁，并通過吊桿懸吊；主跨及邊跨每道肋間橫梁上方均設置28個橋面板小支座。本橋共設2道伸縮縫，中間橋面均連續。

3.3 關于解決有推力拱橋水平推力問題

本橋主跨及邊跨采用了比較協調的比例跨度，基礎水平推力各墩大小不一樣。其中主跨5號墩水平推力最大，水平力相對于豎向力而言太大會造成樁基直徑加大，配筋困難。為解決這一難題，采取以下措施。

(1)為減少橋面恒載重力，橋面板采用高度僅36 cm∏形混凝土板，橫梁、縱梁均采用鋼結構。通過采用輕型橋面系結構，主拱拱肋對基礎產生的水平推力會大幅減少。

(2)設置基礎預偏心。5號墩、7號墩均向外側設置有0.5 m基礎預偏心，6號墩向邊跨側設置0.3 m基礎預偏心。

(3)采用自重較大的混凝土框架墩。5號墩、7號墩均采用預應力混凝土框架墩，并作為相鄰的引橋現澆連續梁邊跨的邊墩。

(4)對于中、小跨度鋼管混凝土拱橋，通過適當增大基礎工程量抵抗水平推力。本橋基礎通過采用較大直徑的樁基礎，5號墩采用φ2.5 m樁基礎，6號、7號墩采用φ2.0 m樁基礎。

3.4 施工方法

本橋施工水深不到2.0 m，基礎采用鋼板樁圍堰施工。主拱采用分節段支架施工。待主拱施工完成后安裝主拱跨中吊桿及拱上立柱。橋面系鋼橫梁采用工廠制造，現場起吊安裝；鋼縱梁現場起吊用螺栓固定在鋼橫梁牛腿上；橋面板現場預制，起吊安裝在橫梁之上，再進行縱、橫向濕接縫現澆。最后進行橋面現澆層及瀝青混凝土鋪裝，以及橋面附屬工程安裝。

4 主要結構設計

4.1 主拱

主跨拱肋采用中承式雙肋無鉸平行拱，拱肋中心距27.5 m，計算跨徑為142 m，拱肋矢跨比為1/5，拱肋軸線理論矢高為71.0 m，拱軸線采用m=1.34懸鏈線線形；邊跨拱肋采用上承式雙肋無鉸平行拱，拱肋中心距27.5 m，計算跨徑為61 m，拱肋矢跨比為1/6.1，拱肋軸線理論矢高為10.0 m，拱軸線采用m=1.167懸鏈線線形。

拱肋均采用雙肋4管等高度全桁架截面，截面高3.0 m，中心桁高2.25 m，截面寬2.0 m，中心桁寬1.25 m。每根弦管直徑750 mm，弦管管內均灌注C50自密實補償收縮混凝土。腹管及平聯管均采用φ400×10 mm空鋼管。桁架拱肋跨中截面如圖3所示。

圖3 桁架拱肋跨中截面(單位：mm)

由于本橋拱腳段拱肋在汛期將有部分高度淹沒于水中，因此，在拱腳設置有1.0 m高的混凝土外包實體段。主跨橋面以上兩榀拱肋之間設置3道“I”字形橫撐，橋面以下設置2道肋間橫梁；邊跨橋面以下設置有2道“I”字形橫撐，3道肋間橫梁。

4.2 拱肋橫撐

根據橫向穩定的需要，主跨橋面以上2榀拱肋之間設3道橫撐，邊跨橋面以下2榀拱肋之間設2道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根φ450×10 mm主鋼管和64根φ250×10 mm鋼管組成，鋼管內部不填混凝土，其內外表面均需作防腐處理。

4.3 肋間橫梁

根據結構構造的需要，主跨橋面以下設置了2道肋間橫梁，肋間橫梁距主拱拱腳中心距14.3 m；邊跨橋面以下設置了3道肋間橫梁，肋間橫梁位于跨中及距跨中8.1 m處。肋間橫梁為橋面板的支撐橫梁，橫梁長37.5 m，截面為變高度鋼箱梁截面，中心箱高為1.5 m，寬為1.0 m，頂底板為厚32 mm的鋼板，腹板為厚16 mm的鋼板，腹板設置有1道水平加勁肋，頂底板各設置1道水平加勁肋。橫梁在每個支座下每隔1.4 m設置1道橫隔板。

4.4 橋面系(圖4)

橋面系采用懸吊或支撐體系。橋面結構由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成[13-14]。

鋼橫梁長37.5 m，截面為變高度鋼箱梁截面，中心箱高為1.5 m，寬為0.8 m，頂板為厚20 mm的鋼板，底板為20 mm～32 mm～44 mm不等厚鋼板，腹板為厚16 mm的鋼板，腹板設置有1道水平加勁肋，頂底板各設置1道水平加勁肋。橫梁在每個支座下每隔1.4 m設置1道橫隔板。

鋼縱梁采用熱軋H型鋼，全橋共設置4組鋼縱梁，用于增強橋面的整體性并支承鋼梁檢查車的軌道。

橋面板由預制∏形C50鋼筋混凝土板和現澆橋面鋪裝層構成。預制∏形板全高36 cm，板厚10 cm，肋寬25 cm，標準橋面板每塊∏形板寬230 cm。預制板縱向接縫寬50 cm、橫向接縫寬50 cm，接縫混凝土采用補償收縮混凝土。∏形板頂面現澆8 cm厚鋼纖維混凝土(設計中考慮其參與∏形板的受力)。橋面鋪裝采用8 cm厚改性瀝青混凝土。

主跨跨中橋面荷載直接由鋼橫梁與橋面板組成的組合梁承擔。荷載由組合梁傳遞給吊桿，最后傳遞給拱肋。其余橋面板支承在橋墩蓋梁或拱頂立柱上。鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成了長203 m、寬37.5 m的整體連續板結構。

圖4 橋面系結構(單位：cm)

4.5 吊桿

主橋吊桿采用橫向雙吊桿體系，主橋共設26對吊桿，吊點中心距為8.1 m。單根吊桿采用73-φ7 mm環氧涂層平行鋼絲索，兩端采用PES7-73冷鑄墩頭錨，索外包擠黑色防護套并設不銹鋼護套管。

4.6 拱上立柱

主跨每榀拱肋上設置2個立柱；邊跨每榀拱肋上設置4個立柱，立柱直徑均為1.00 m鋼管混凝土，壁厚12 mm，管內灌注C50混凝土。立柱上設墊石及支座，立柱下設鋼箱墊座，墊座平面為1.5 m×1.5 m，墊座與主拱弦管通過鋼板焊接。

4.7 橋墩

兩邊墩采用預應力框架墩，墩柱采用3.0 m×2.5 m C40鋼筋混凝土矩形截面，墩高3.5 m。蓋梁采用C50預應力混凝土矩形截面，長36.5 m，寬3.0 m，高3.0 m，蓋梁布置26根15-7φ5(19-7φ5)預應力鋼束，錨下張拉控制應力均為1 302 MPa；中墩采用雙獨柱墩，墩柱采用直徑2.0 m、C40鋼筋混凝土圓柱形截面，墩高6.0 m。

4.8 拱座

每個橋墩設有2個分離的拱座，拱座為圓端形臺體，為C40鋼筋混凝土結構。兩邊墩拱座高為4.0 m，頂面順橋向分別為2.5 m及3.8 m，橫橋向4.0 m，底面順橋向長均為9.0 m，橫橋向端部均為10 m，在水流方向為圓端形，半徑為10.625 m。中墩拱座高為4.0 m，頂面順橋向3.15 m，橫橋向4.0 m，底面順橋向長均為9.0 m，橫橋向端部均為10 m，在水流方向為圓端形，半徑為10.625 m。

4.9 基礎設計

每個橋墩設有2個分離的承臺及基礎，承臺及樁基礎均為C35鋼筋混凝土結構。為減少樁基礎配筋，在兩邊墩均向外側設置有0.5 m預偏心；中墩向邊跨側設置有0.3 m預偏心。

5號橋墩：承臺尺寸17.4 m(長)×17.4 m(寬)×5.5 m(高)，每個承臺下布置9根φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎，樁基礎按摩擦樁設計，行列式布置，樁長30 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設1道加強箍，加強箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

6號橋墩：承臺尺寸13.9 m(長)×13.9 m(寬)×4.0 m(高)，每個承臺下布置9根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎，樁基礎按摩擦樁設計，行列式布置，樁長27 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設1道加強箍，加強箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

7號橋墩：承臺尺寸13.9 m(長)×13.9 m(寬)×4.0 m(高)，每個承臺下布置9根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎，樁基礎按摩擦樁設計，行列式布置，樁長32 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設1道加強箍，加強箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

5 主要計算結果

5.1 位移

本橋142 m跨主拱最大豎向撓度為0.075 mL/1 000=0.061 m，橋面板最大豎向撓度為0.008 0

5.2 強度

根據《公路鋼管混凝土橋設計規范》5.2.2條，按照鋼管混凝土偏心受壓構件承載力計算公式(1)進行驗算。

γN≤φ1φeKpKdfscAsc

(1)

式中，長細比折減系數取φ1=1.0；彎矩折減系數φe根據規范由截面偏心距及其增大系數和組合截面的半徑計算得出；初應力折減系數Kp取0.9；計入鋼管管內混凝土脫空影響；折減系數Kd取0.95；重要性系數γ取1.1。fsc為鋼管混凝土組合軸心抗壓強度設計值；Asc為鋼管混凝土組合截面面積；N為軸向力設計值。

計算結果均滿足規范要求。

5.3 穩定性

全橋穩定性分析采用Midas空間有限元程序，拱肋、平聯、立柱、橫梁、承臺采用三維梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，承臺底采用彈性約束。運營狀態，全橋結構在各種工況下的穩定安全系數最小為32，表現為主拱1階對稱橫彎失穩，滿足規范規定。如表1及圖5所示。

表1 運營階段穩定性計算結果

圖5 運營狀態下的結構失穩模態(主拱1階對稱橫彎)

6 結語

本橋首次采用一種混合承式不對稱跨度有推力鋼管混凝土拱橋方案，設計總結如下。

(1)一般系桿拱橋通過在橋面以下設置系桿來減小主拱水平推力，而本橋型由于主拱為中承式+上承式形式，橋面系采用漂浮體系，通過設置系桿來減小主拱水平推力并不合適。對于中、小跨度鋼管混凝土拱橋，通過適當增大基礎工程量抵抗水平推力，能滿足設計要求。

(2)本橋型為不對稱有推力鋼管混凝土拱橋，為減小主拱水平推力，橋面板采用高度僅36 cm混凝土板，橫梁、縱梁均采用鋼結構，通過采用輕型的橋面系結構，有效減小了主拱水平推力。

(3)由于本橋型基礎水平力相對于豎向力較大，樁基配筋較為困難，通過采用大直徑的樁基礎、設置基礎預偏心以及采用自重較大的混凝土框架墩的方法得以改善。

本橋橋型造型美觀、結構獨特新穎，充分考慮了與環境的協調性。大橋已于2017年7月開工建設，建成之后必將成為信陽市新的標志性建筑，可為今后市政景觀橋梁設計提供借鑒。

[1] 桂婞，羅世東，王新國.大跨徑斜拉拱橋結構受力的敏感性分析[J].橋梁建設，2006(S2)：86-89.

[2] 王庭正，羅世東，王新國，等.湘潭市蓮城大橋總體設計[J].橋梁建設，2008(3)：37-40.

[3] 陳勇勤，邢燕，楊潔瓊，胡亞琴.大跨度中承式鋼管混凝土拱橋設計[J].世界橋梁，2007(3)：18-20.

[4] 薛錫芝.單跨下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋設計[J].城市道橋與防洪，2006(2)：31-33.

[5] 趙林強，許榮華，鄭憲政.杭州市錢江四橋總體設計[J].橋梁建設，2004(1)：27-30.

[6] 吳克聰.洛南高速公路跨焦枝鐵路及南水北調總干渠大橋設計[J].鐵道標準設計，2007(5)：35-37.

[7] 李瑜，胡建華，王甜.茅草街大橋鋼管混凝土拱橋設計與關鍵技術研究[J].中外公路，2009，29(2)：115-119.

[8] 廖宜勤，王朝華.南昌生米大橋總體設計[J].世界橋梁，2005(3)：1-4.

[9] 蔣凌云，江暉.深圳芙蓉大橋設計[J].橋梁建設，2000(3)：38-40.

[10] 劉玉擎.日本新西海鋼管混凝土拱橋的設計概況[J].世界橋梁，2006(2)：5-7

[11] 唐黎明，魯應慧，劉新癡，等.武漢市江漢五橋的設計[J].城市道橋與防洪，2002(6)：7-11.

[12] 王俊義.興隆大橋設計與分析[J].城市道橋與防洪，2012(9)：89-91.

[13] 徐升橋.丫髻沙大橋主橋設計研究[J].鐵道標準設計，2001(6)：2-7.

[14] 徐升橋，尹浩輝.丫髻沙大橋的設計與施工[J].鐵道標準設計，2000(5)：9-16.

[15] 古秀麗，孫慶東.延吉市延河路中承式鋼管混凝土拱橋的設計[J].城市道橋與防洪，2002(9)：39-45.