研究大跨徑鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

王麗娟

(山東中咨公路咨詢設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257091)

1 發(fā)展現(xiàn)狀分析

鋼管混凝土拱橋目前在我國得到了大量應(yīng)用，跨徑在50 m以上的鋼管混凝土拱橋數(shù)量已經(jīng)超過了四百座，主跨在300 m以上的鋼管混凝土拱橋數(shù)量有十余座，此類橋梁現(xiàn)階段已經(jīng)沒有了技術(shù)門檻，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與安全性等多種因素后，是一種競爭力極強(qiáng)的橋型。近幾年，各省相繼提出與鋼管混凝土拱橋有關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為這種橋梁類型的設(shè)計(jì)提供了良好的技術(shù)保障。與此同時，橋梁施工技術(shù)也越來越成熟，同時正在不斷創(chuàng)新。然而，由于對各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范及新技術(shù)的掌握還不夠深度，尤其是對橋面系而言，沒有對強(qiáng)健性引起足夠的重視，整體式橋面系與懸吊橋面系等的實(shí)際應(yīng)用還未能達(dá)到普及，在方案設(shè)計(jì)過程中沒有考慮到抗風(fēng)設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)。為了對鋼管混凝土拱橋工程設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討，需要結(jié)合橋梁工程實(shí)例，現(xiàn)以兩座拱橋?yàn)槔謩e記作A橋和B橋，其中，A橋跨徑為252 m，橋型采用中承式，B橋跨徑為220 m，橋型采用上承式。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 有推力拱

對于有推力鋼管混凝土拱橋，大多建設(shè)在地質(zhì)條件相對較好的山區(qū)中，而在地質(zhì)條件一般和較差的平原區(qū)，若采用鋼管混凝土拱橋，則結(jié)構(gòu)型式以系桿拱與拱梁相組合的形式為主。就目前來看，系桿拱橋的跨徑可以達(dá)到400 m，而拱梁相組合的體系，當(dāng)橋梁采用中承式時，跨徑通常在200 m以內(nèi)，而當(dāng)橋型采用中承式時，跨徑可以達(dá)到300 m。

A橋所在位置的江面寬度為120 m，河槽大致為U型；河流的通航等級為I級，凈寬為220 m；地層以黏土層、礫砂層、粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖層等為主，橋梁設(shè)計(jì)中的地震動峰值加速度取0.1 g。將上述工程建設(shè)條件作為基礎(chǔ)，A橋主橋建議采用跨徑不小于250 m的中、下承式系桿拱或拱梁相組合的體系。初期方案采用跨徑為258 m、橋型為下承式的系桿拱，之后通過研究優(yōu)化，采用橋型為中承式的有推力拱。這一方案的基礎(chǔ)為復(fù)合地基，樁基與擴(kuò)大基礎(chǔ)一同受力，岸邊共布設(shè)12根樁基，樁徑2.5 m。橋梁其中一端的主墩擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為：長×寬×高=25 m×48.2 m×10.5-14.0 m；另外一端擴(kuò)大基礎(chǔ)的尺寸為：長×寬×高=30 m×48.2 m×11.0-14.0 m，所有擴(kuò)大基礎(chǔ)均通過現(xiàn)澆而成，總混凝土可以達(dá)到2.7萬m3。巨大的方量為該地區(qū)進(jìn)行拱橋的修建創(chuàng)造了良好條件。看似系桿拱和有推力拱相比之下，處于劣勢，但之后修建的很多橋梁又使得系桿拱結(jié)構(gòu)重新煥發(fā)出活力。

很早建成的系桿拱在系桿錨固方面存在一些問題，導(dǎo)致現(xiàn)在都習(xí)慣將系桿與高風(fēng)險聯(lián)系到一起，偏向使用具有良好耐久性和整體性的有推力拱。但對有推力拱而言，要通過樁基與擴(kuò)大基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)整體受力，將其作為抗推基礎(chǔ)，所以其圬工量難免很大。在這種情況下，有必要使兩種結(jié)構(gòu)一同發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以豐富這方面的橋梁結(jié)構(gòu)型式。

2.2 強(qiáng)健性橋面系

之前建成的大多數(shù)拱橋，其橋面的縱向都沒有布設(shè)加勁梁，直接在橫梁上進(jìn)行橋面板的鋪設(shè)，這種橋面系的整體性很差，卻依然在大量使用。但最近幾年，人們開始重視到橋面系整體性的重要性，開始大量應(yīng)用整體式橋面板及在加勁縱梁。相關(guān)技術(shù)規(guī)范指出：對于橋型為中承式和下承式的鋼管混凝土拱橋，其橋面梁或橋面板應(yīng)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，且主縱梁需要滿足預(yù)期的各項(xiàng)要求。除此之外，相關(guān)研究成果還提出，在設(shè)計(jì)過程中，需要將橋面系分成五大類，以拱梁相組合的體系與整體式橋面系具有最高的強(qiáng)健性。另外，針對橋面系強(qiáng)健性，可采用專門的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)健性的大幅提高。

當(dāng)鋼管混凝土拱橋的跨徑很大時，可考慮以整體式橋面系為主，若沒有選擇這種橋面系，而是選擇了加勁縱梁，則需要使加勁縱梁具備良好剛度與承載力，確保在斷索之后橋面系依然能保持穩(wěn)定，不至于連續(xù)垮塌。A橋的主橋橋面系為鋼格構(gòu)，由鋼縱梁和鋼橫梁兩部分組成，而橋面板為鋼和混凝土相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，有良好的整體性，同時也比較先進(jìn)，可以為類似的橋梁工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考借鑒。

2.3 四肢全桁式與橫啞鈴形桁

初期建成的四肢桁架拱大多為橫啞鈴形，也就是在橫向鋼管之間借助綴板進(jìn)行混凝土的灌注。這種結(jié)構(gòu)型式在綴板的作用下被分隔成若干倉室，由人工進(jìn)行高空灌注，不僅施工速度較慢，并且灌注質(zhì)量也很難保證，另外，在灌注的過程中，還會對弦管造成二次污染。基于此，現(xiàn)在修建的橋梁已經(jīng)不使用這種結(jié)構(gòu)形式，而是改用四肢桁架，上述A橋采用的就是這種結(jié)構(gòu)。對于這種截面型式，將強(qiáng)度較高的鐵砂混凝土灌注到綴管當(dāng)中，使吊桿錨固區(qū)實(shí)際受力達(dá)到合理，不僅施工便利，而且施工質(zhì)量也比較容易保證。最早采用這種截面的拱橋，在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中充分考慮了混凝土灌注后的受力，相較于其它截面型式，對受力更加有利，能減小5%左右的應(yīng)力。而相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范指出：對采用啞鈴形的主拱進(jìn)行計(jì)算時，處于腹腔中的混凝土不可考慮到截面受力，只計(jì)算它的自重可能造成的影響。基于此，如果沒有對混凝土的受力予以充分考慮，則橫啞鈴形將不具備任何受力優(yōu)勢。就目前來看，某些橋梁只在拱座周圍一定長度內(nèi)進(jìn)行綴板灌注，或通過混凝土外包來適應(yīng)拱腳受力相對較大的情況。

2.4 強(qiáng)風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu)選型

對于處在強(qiáng)風(fēng)區(qū)中的橋梁，減小梁高是降低風(fēng)影響最常用和有效的方法。基于此，采用中承式橋型的拱橋和采用下承式橋型的拱橋相比，前者對抗風(fēng)更加有利。另外，對于采用下承式橋型的拱橋，為滿足行車要求，不能在拱腳的附近進(jìn)行風(fēng)撐設(shè)置，相較之下，采用中承式橋型的拱橋，其拱腳風(fēng)撐處在橋面系的下部，能有效解決拱腳處有很大受力的情況。A橋所在地區(qū)的風(fēng)速最大可以達(dá)到36.2 m/s，其主橋?yàn)橹谐惺綐蛐汀?/p>

2.5 強(qiáng)震區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果山區(qū)中的拱橋橋型為上承式，而且處在強(qiáng)震區(qū)中時，需要注意對拱上建筑進(jìn)行輕型化設(shè)計(jì)。之前建成的橋型為上承式的拱橋，它的拱上立柱與橋面板大多是鋼筋混凝土，但拱上跨徑一般很小，這不僅對美觀會造成一定程度的影響，還會影響到結(jié)構(gòu)的抗震。為了有效減小拱上建筑的自重，拱上立柱建議為鋼管混凝土，而橋面板建議為鋼混組合梁。

B橋所在地區(qū)的地震動峰值加速度為0.30 g，其主橋?yàn)榭鐝绞?20 m的上承式橋型拱，橋面系為鋼混凝土組合連續(xù)梁，鋼縱梁的高度為1.2 m，橫向間隔距離為2.45 m，在順橋向上按照5.61 m的間隔距離布設(shè)鋼橫梁，其高度形同，均為0.8 m；無論是鋼橫梁還是鋼縱梁，都采用工字型的結(jié)構(gòu)截面。橋面板為厚度為12 cm的預(yù)制板，在表面澆筑厚度為9 cm的鋼纖維混凝土，最后鋪裝一層厚度為10 cm的瀝青混凝土層。拱上立柱為格構(gòu)式排架，柱肢和拱肋的上弦桿固定，在立柱高度的橫縱兩個方向上按照3 m的間隔距離交錯布設(shè)橫撐。所有立柱都在工廠進(jìn)行分段制作和加工，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行分段吊裝與焊接。柱肢在順橋向上的中心間隔距離為1.2 m，在橫橋向上的中心間隔距離為2.0 m。通過驗(yàn)算，在E2地震持續(xù)作用下，主弦桿的承載能力可以達(dá)到規(guī)范要求，驗(yàn)算結(jié)果為：上弦桿：軸向受力16 521 KN，彎-y受力1 917 KN·m，彎-z受力1 678 KN·m，結(jié)構(gòu)抗力20932 KN，安全系數(shù)為1.15；下弦桿：軸向受力18 130 KN，彎-y受力2 060 KN·m，彎-z受力896 KN·m，結(jié)構(gòu)抗力22 662 KN，安全系數(shù)為1.14。

3 結(jié) 論

(1)A橋的建成使有推力拱結(jié)構(gòu)在非巖石地基中建設(shè)成為可能，而其它新建橋梁采用的地連墻抗推基礎(chǔ)可以為這種情況下的有推力拱修建奠定良好理論基礎(chǔ)。

(2)在橋面系方面，應(yīng)以整體式橋面系為主，若采用的是加勁縱梁，則要使其有良好剛度與承載能力。

(3)當(dāng)拱橋采用四肢桁架時，應(yīng)采用拱肋四肢全桁式的結(jié)構(gòu)斷面。

(4)在強(qiáng)風(fēng)區(qū)，應(yīng)以中承式橋型為宜，在橋面系的下部布設(shè)風(fēng)撐，以此實(shí)現(xiàn)對拱腳受力的有效改善。

(5)在強(qiáng)震區(qū)，需要對拱上建筑進(jìn)行輕型化設(shè)計(jì)。