結(jié)合梁系桿拱橋設(shè)計創(chuàng)新探討

鋼混結(jié)合梁以良好的結(jié)構(gòu)受力性能，較少的后期維護(hù)量在大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用。懸索橋中武漢鸚鵡洲長江大橋（跨度850 m）［1］、宜昌廟嘴長江大橋（跨度838 m）［2］，斜拉橋中武漢二七長江大橋（跨度616 m）［3］均采用了結(jié)合梁。國內(nèi)的拱橋應(yīng)用結(jié)合梁較少；但歐洲等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用廣泛，跨度小到100 m以下，大到接近300 m都有工程應(yīng)用［4］。

湖北黃石新港是交通運(yùn)輸部支持建設(shè)的長江經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)港區(qū)，湖北省規(guī)劃建設(shè)的綜合性港區(qū)及“鄂東組合港”核心港區(qū)，海洲大道為新港物流園對外交通的主要通道，跨越大冶湖河道，大冶湖大橋為主跨212 m結(jié)合梁系桿拱橋，本文詳細(xì)介紹了該橋的設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)，為以后類似橋梁建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

湖北黃石新港大冶湖大橋因通航與防洪需要，采用主跨212 m下承式系桿拱橋方案，鋼箱拱肋結(jié)合梁提籃拱橋的形式，全長220 m，拱肋水平跨度212 m，簡支體系。見圖1。

圖1 橋型布置

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：城市主干道，設(shè)計速度60 km/h，雙向6車道+兩側(cè)各2 m人行道，汽車荷載城-A級。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

2.1 結(jié)合梁

本橋位于港區(qū)對外交通的主要通道上，重載車輛較多，為避免正交異性鋼橋面疲勞損傷風(fēng)險，采用了鋼混結(jié)合梁。系桿拱體系中拱腳水平推力由系桿或系桿索平衡，考慮到系桿索耐久性有限，需經(jīng)常檢查維護(hù)，后期更換費(fèi)用高，因此本橋以結(jié)合梁作為體系中的受拉構(gòu)件來平衡拱肋水平推力，如何解決混凝土橋面板開裂問題是設(shè)計的關(guān)鍵。常規(guī)方案是將橋面結(jié)構(gòu)與系桿分離開，通過鋼系桿（邊箱）平衡拱肋水平推力［5］并利用鋼橫梁面外剛度弱的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)邊箱與橋面板之間的變形差值，減小從鋼系桿傳到橋面板上的拉力，見圖2。

圖2 常規(guī)主梁斷面

該方案因需要橫梁的面外變形協(xié)調(diào)鋼箱與橋面板之間變形差值，橫梁的跨度增加了10.7 m，導(dǎo)致橫梁梁高及拱肋橫撐長度增加，工程量亦相應(yīng)增加。另外，橋梁跨度越大，在梁端需要協(xié)調(diào)的鋼箱與橋面板之間變形差值就越大，橋梁的整體性越差，因此常規(guī)方案主要適合跨度、橋?qū)?、荷載較小的結(jié)合梁系桿拱橋。本項目跨度達(dá)到212 m，常規(guī)方案不適合，采用了橋面板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力的方法。

2.2 梁端橫梁及橋面板

梁端橫梁及橋面板受力較為復(fù)雜，由于大量的預(yù)應(yīng)力鋼束在梁端進(jìn)行錨固，系梁端部鋼縱梁處為負(fù)彎矩區(qū)，還要承受拱肋傳遞的縱向與橫向水平力，計算時需要考慮幾個體系的受力疊加。

提籃拱橋的常規(guī)設(shè)計是在拱腳間采用剛度較大的箱型端橫梁［6］，用以抵抗拱腳之間橫向水平力，見圖3。

圖3 常規(guī)橫梁方案

橫梁1為拱腳間箱型端橫梁，橫梁2為工字型斷面橫梁。這種設(shè)計方案橫梁2的水平面內(nèi)抗彎剛度較低，不能有效分擔(dān)混凝土橋面板所承受的彎矩。

現(xiàn)將橫梁2腹板向梁端移動并將橫梁1與橫梁2的頂?shù)装暹B接形成整體，見圖4中端橫梁3。適當(dāng)增大橫梁3的腹板厚度，使橫梁3的水平面內(nèi)抗彎剛度較橫梁1、橫梁2有很大提升，能夠更好地承擔(dān)橋面預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)彎矩，降低橋面板的橫向拉應(yīng)力。

3 設(shè)計方案

3.1 拱肋

拱肋采用變截面鋼箱拱肋，矢高48 m，矢跨比1/4.4。拱肋線形采用二次拋物線，平面內(nèi)傾7.125°形成提籃拱，見圖5。

圖4 優(yōu)化后橫梁方案

圖5 拱肋結(jié)構(gòu)

拱頂處截面高2.8 m，寬2.2 m；拱腳處截面高4.4 m，寬2.2 m。拱肋頂板、底板鋼板厚度為32～44 mm，腹板鋼板厚度為24～28 mm；頂?shù)装甯拱寰捎冒迨郊觿爬呒觿拧?/p>

橫撐采用一字型，箱型截面，跨中橫撐高2 m、寬2 m，其余高2 m、寬2.4 m，板厚16 mm。全橋共計10道橫撐。橫撐與拱肋之間采用焊接方式連接。

3.2 主梁

主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，通過剪力釘相結(jié)合。鋼梁部分由邊主梁、橫梁及小縱梁共同組成梁格體系，采用了在橋面板施加預(yù)應(yīng)力的方式。邊主梁中心線處高2 742 mm，箱室寬2 217 mm，見圖6。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為9 m，每間隔3 m設(shè)置一道橫梁， 見圖7。

圖6 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面

圖7 主梁橫梁處斷面

除端橫梁采用箱型截面外，其余橫梁均為工字形。橫梁頂板、底板與邊主梁頂板、底板焊接，腹板縱梁栓接。在主橋中心線處、主梁兩側(cè)托架外邊緣處，共設(shè)置三道小縱梁，以保證鋼橫梁安裝過程中的穩(wěn)定并作為橋面板現(xiàn)澆縫的模板。

橋面板分塊預(yù)制、現(xiàn)澆濕接縫連接，板厚為26 cm。為方便預(yù)應(yīng)力錨固，在距梁端1.4 m處開始變厚為43 cm。

梁端橋面板受力較為復(fù)雜，為降低端橫梁處橋面板應(yīng)力，減少裂縫寬度，對該處橋面板施工順序進(jìn)行了調(diào)整，見圖8。

圖8 橋面板現(xiàn)澆段分塊

圖8中，QX0為混凝土現(xiàn)場澆筑區(qū)域，將QX0中劃分出QX0’區(qū)域。施工過程為QX0區(qū)段的混凝土澆筑達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，分批張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束，待橋面板預(yù)應(yīng)力施工完成后連接QX0’區(qū)域的鋼筋并澆筑QX0’區(qū)域的混凝土。通過施工順序的調(diào)整，釋放橋面板負(fù)彎矩區(qū)域的轉(zhuǎn)動約束，將預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)彎矩進(jìn)一步傳遞給大型鋼端橫梁，降低混凝土橋面板的橫向拉應(yīng)力。

3.3 吊索

吊索縱向間距9 m，每處吊點(diǎn)均設(shè)置2根吊索，單根吊索由127絲?5 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，冷鑄錨頭。吊索在拱肋及邊主梁上的錨固均采用錨箱形式，錨箱分別位于拱肋鋼箱和邊主梁鋼箱內(nèi)部，拱肋端張拉。

3.4 橋墩與基礎(chǔ)

采用雙柱式橋墩，單柱截面尺寸為4.5 m（橫向）×3.0 m（縱向），承臺平面尺寸為8.0 m（橫向）×11.0 m（縱向），高4.0 m，基礎(chǔ)為6根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算模型

采用Midas/Civil 2012分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，標(biāo)準(zhǔn)橫梁使用梁單元模擬，端橫梁及混凝土橋面板使用板單元模擬，吊索系桿索采用桁架單元建模，其他采用梁單元建模，見圖9。

圖9 計算模型

4.2 主要計算結(jié)果

4.2.1 剛度

主梁活載作用下最大撓度8.9 cm，撓跨比1/2 382，滿足規(guī)范要求［7］。

4.2.2 鋼梁

鋼梁基本組合下最大拉應(yīng)力144.5 MPa,最大壓應(yīng)力123 MPa，最大應(yīng)力值＜[σ]=270 MPa，滿足規(guī)范要求［7］。見圖10。

圖10 基本組合系梁應(yīng)力

4.2.3 橋面板抗裂驗算

短期效應(yīng)組合混凝土橋面板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)下橫梁間板跨中的下緣，拉應(yīng)力為1.3 MPa＜0.7ftk。長期效應(yīng)組合混凝土橋面板最小壓應(yīng)力出現(xiàn)下橫梁間跨中的下緣，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求［7］。

4.2.4 端橫梁

常規(guī)方案橫梁頂板橫向拉應(yīng)力為66.7 MPa，優(yōu)化后為39.2 MPa。采用優(yōu)化方案后，混凝土橋面板板頂橫橋向應(yīng)力由4.1 MPa下降為2.0 MPa，板底橫橋向應(yīng)力由5.5 MPa下降為2.6 MPa。采用優(yōu)化后的橫梁方案，在維持鋼頂板、腹板板厚不變的前提下，由負(fù)彎矩產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板橫向拉應(yīng)力減小了約45%。

5 結(jié)語

在大冶湖大橋設(shè)計過程中，針對橋址處通航防洪要求及港口重載交通特點(diǎn)因地制宜的選擇了結(jié)合梁系桿拱橋方案并采用了多項創(chuàng)新設(shè)計：

1）在橋面板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，除能夠平衡拱腳水平推力，也能在運(yùn)營階段減少裂縫，提高橋梁的耐久性；

2）采用新型的橫梁設(shè)計并通過橋面板施工順序的調(diào)整，使結(jié)構(gòu)體系受力更加合理安全。