大跨徑拱柱梁全固結(jié)體系鋼箱桁肋拱橋設(shè)計(jì)

竇 巍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 項(xiàng)目簡介

宜賓至昭通高速公路是四川省宜賓市至云南省昭通市的重要通道，路線全長135.4 km，在彝良縣東北部設(shè)白水江特大橋。作為本項(xiàng)目的控制性節(jié)點(diǎn)，該橋的建設(shè)方案的選擇至關(guān)重要。

項(xiàng)目為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬為24.5 m，橫向布置為0.5 m(防撞護(hù)欄)+11 m(行車道)+1.5 m(中央分隔帶)+11 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)，地震動加速度峰值為0.05g，設(shè)計(jì)百年一遇基本風(fēng)速為28.2 m/s。

2 橋型方案研究

本橋位于“V”形峽谷地段，如圖1所示，路線與地形交線寬458 m，橋面與谷底高差290 m， 兩岸邊坡陡峭，適宜跨徑在260 m以上，連續(xù)剛構(gòu)及矮塔、雙塔斜拉橋難以滿足邊跨布設(shè)要求，因此本橋適用獨(dú)塔斜拉橋、懸索橋和拱橋方案。

圖1 橋位縱斷面示意圖

2.1 獨(dú)塔斜拉橋方案

選取彝良岸坡頂平臺設(shè)置主塔，主跨跨越峽谷，邊跨跨越彝良岸山谷。跨徑布置為(260+415+55)m，如圖2所示。

圖2 彝良側(cè)設(shè)塔柱的獨(dú)塔斜拉橋方案布置圖

本方案峽谷采用主橋跨越，施工工藝單一。但主跨達(dá)470 m，實(shí)施難度巨大。

2.2 懸索橋方案

主橋采用主跨450 m的單跨簡支布置，如圖3所示，主纜跨度為(150+450+32)m。

圖3 懸索橋方案布置圖

本方案適應(yīng)本橋位地形，但缺陷是：主跨450 m不屬于懸索橋經(jīng)濟(jì)跨徑；昭通岸錨碇與隧道位置沖突；索塔高度僅50 m，景觀效果不好。

2.3 上承式拱橋方案

本方案結(jié)合地形條件，采用上承式拱橋方案，如圖4所示，主拱跨度取330 m，矢高為60 m。

圖4 上承式拱橋方案布置圖

本方案十分適應(yīng)本橋位地形，具備很高的研究價(jià)值。

2.4 中承式拱橋方案

在上承式拱橋方案的基礎(chǔ)上，將拱座上移，布設(shè)中承式拱橋，如圖5所示，主拱跨度取388 m，矢高90 m。

圖5 中承式拱橋方案布置圖

本方案也十分適應(yīng)本橋位地形，具備很高的研究價(jià)值。

2.5 方案比選

根據(jù)四種方案優(yōu)缺點(diǎn)的分析論證，獨(dú)塔斜拉橋和懸索橋存在明顯的缺陷，因此僅針對上承式拱橋和中承式拱橋進(jìn)行同深度比選。

表1 橋型方案綜合比較表

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

主橋橋面跨徑布置為22×16 m，采用上承式鋼箱桁肋拱橋，主跨330 m，矢高60 m，矢跨比1/5.5，拱軸系數(shù)1.5；橫橋向有3片桁架；立柱為鋼排架；主梁為疊合梁。

3.2 拱肋設(shè)計(jì)

對國內(nèi)已建成鋼管混凝土拱橋的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)混凝土脫空現(xiàn)象普遍。考慮到本橋施工條件較差，難以保證施工質(zhì)量，因此本橋不考慮鋼管混凝土拱肋方案。

受地形所限，拱肋矢跨比為1∶5.5，存在較大的彎矩。鋼箱拱提高抗彎增加的材料用量不是承壓所需要的，而桁架結(jié)構(gòu)只需調(diào)整腹桿構(gòu)造，就可以最大限度提供抗彎剛度，因此本橋設(shè)計(jì)中采用桁架拱方案，如圖6所示。拱肋上下弦桿為等截面鋼箱，腹桿、平聯(lián)采用工字截面，拱肋為等高桁架，桁高8.5 m，拱箱斷面為1.4 m×1 m，從拱頂至拱腳板厚為30～42 mm，弦桿與腹桿的連接采用整體式節(jié)點(diǎn)，所有構(gòu)件連接均采用焊接。

圖6 主拱肋1/2布置圖

3.3 拱上建筑設(shè)計(jì)

上承式拱橋通常在立柱上設(shè)置混凝土蓋梁，上部架設(shè)空心板,如圖7所示。

圖7 常規(guī)上承式拱橋空心板上部方案

本橋拱肋和立柱自重較輕，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)，整個結(jié)構(gòu)剛度不匹配；同時(shí)結(jié)構(gòu)整體性較差，受風(fēng)載影響穩(wěn)定性較差。為解決這一問題，本橋上部采用縱橫梁格構(gòu)體系，通過剪力鍵與行車道板連接，形成了拱梁柱全固結(jié)體系，如圖8所示。

圖8 拱梁柱全固結(jié)體系拱上建筑方案

立柱采用鋼箱桁架柱，縱橋向間距為16 m。立柱高度大于12 m時(shí)設(shè)交叉斜撐。立柱頂與主縱梁焊接。

上部鋼格構(gòu)設(shè)置3道主縱梁，梁高為1.5 m；橫梁間距為4 m，采用“工”形梁，梁高1.0 m；橫梁與縱梁之間采用栓焊結(jié)合的連接方式。

行車道板為C50鋼纖維鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度25 cm，預(yù)制板通過濕接縫與鋼梁連接。

3.4 拱座設(shè)計(jì)

拱座基礎(chǔ)采用帶有臺階的擴(kuò)大基礎(chǔ)，拱座與基礎(chǔ)合為一體，拱座厚度方向5 m，總高度20.895 m，基礎(chǔ)采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土。

4 主橋施工方案

主橋施工吊裝以纜索吊裝為主，在適合的位置布設(shè)纜索吊機(jī)，吊塔距離約400 m，兼作拱肋施工扣塔，如圖9所示。

圖9 施工場地布設(shè)圖

5 主橋結(jié)構(gòu)分析

5.1 主要計(jì)算方法、參數(shù)和假定

主橋鋼結(jié)構(gòu)有限元模型如圖10所示，采用Q345qD鋼材，橋墩、拱座等采用C50混凝土，橋面板采用CF50鋼纖維混凝土，技術(shù)參數(shù)按相關(guān)規(guī)范計(jì)取。構(gòu)件采用空間梁單元。

圖10 總體有限元計(jì)算模型圖

分析中考慮恒載、活載、基礎(chǔ)沉降、溫度荷載、風(fēng)荷載作用，進(jìn)行施工及運(yùn)營階段模擬分析，按規(guī)范進(jìn)行組合。

5.2 主要計(jì)算結(jié)果

5.2.1 結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算見表2，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

表2 鋼梁豎向撓度(汽車活載不計(jì)沖擊力)

5.2.2 主要結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

運(yùn)營階段基本組合，主拱圈上弦桿最大壓應(yīng)力為171.4 MPa，最大拉應(yīng)力為108.7 MPa；下弦桿最大壓應(yīng)力為205.9 MPa，最大拉應(yīng)力為56.3 MPa。鋼梁最大壓應(yīng)力為89.3 MPa，最大拉應(yīng)力為72.1 MPa。橋面板最大壓應(yīng)力為10.3 MPa。

主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5.2.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

運(yùn)營階段一階穩(wěn)定特征值為19.5，如圖11所示，滿足規(guī)范要求。

圖11 運(yùn)營階段穩(wěn)定特征值

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的上承式拱橋一般均采用柱拱固結(jié)、梁柱鉸接的結(jié)構(gòu)型式。本橋設(shè)計(jì)采用了拱柱梁全固結(jié)體系，調(diào)整了結(jié)構(gòu)的剛度比例，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的動力性能，大幅度提高了結(jié)構(gòu)的縱橫向穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)性能顯著提高。

同時(shí)，本橋設(shè)計(jì)中，由于地形條件限制，矢跨比達(dá)到1∶5.5，而采用傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼箱結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)矢跨比一般為1∶(4～5)。為提高橋型結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，本橋采用了鋼箱桁肋主拱結(jié)構(gòu)，降低了拱圈桿件內(nèi)力，提高了結(jié)構(gòu)的適用性。

此外，橋面結(jié)構(gòu)采用了鋼-混凝土組合梁，降低了結(jié)構(gòu)自重，吊裝重量大大減小，降低了橋梁施工難度，提高了施工速度。

白水江特大橋設(shè)計(jì)中，采用了這三項(xiàng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，即拱柱梁全固結(jié)結(jié)構(gòu)體系、大跨度鋼箱桁肋主拱結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合梁橋面結(jié)構(gòu)，供同類橋梁結(jié)構(gòu)研究比選。