某大跨鋼管混凝土拱橋設計

彭益華，黎棟家，毛立敏

1.廣西財經學院，廣西 南寧 530007；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029

1 引言

鋼管混凝土拱橋這種橋型利用先前吊裝架設的鋼管作為后續灌注混凝土的支架，節省了施工支架，便于施工，發揮了鋼與混凝土兩種材料的優勢，受力合理、跨越能力大，因此在全國得到了廣泛應用，據統計，全國跨徑大于50m 的鋼管混凝土拱橋超過了400 座［1］，本文結合高速公路某鋼管混凝土拱橋的設計，探討了其設計要點。

2 總體設計

某高速公路工程需要跨越航道等級為Ⅰ級航道（通航凈寬不小于220m，通航凈高不小于13m）的河流，該河道在橋位處呈U 型，兩岸巖石裸露，經地質勘察為中風化灰巖，巖石較硬，飽和單軸抗壓強度標準值達35.0MPa，適合作為有推力拱橋的拱座基礎。橋位處水流湍急，最好一跨過江，初步估計跨徑應在300m以上，目前已建成的跨徑300m以上的拱橋大多為鋼管混凝土拱或鋼箱拱，而在經濟性指標方面，鋼管混凝土拱橋比鋼箱拱橋具有明顯優勢，造價更低，因此，結合行洪、通航及地形情況，擬定橋型方案為鋼管混凝土拱橋，擬定計算跨徑為320m，主橋長336m。橋梁立面布置如圖1 所示。

2.1 拱肋

拱肋拱軸線采用懸鏈線，矢高80m，矢跨比1/4，拱軸系數m＝1.167。鋼管混凝土拱肋采用變截面四管桁式結構，各節段拱肋寬度保持不變，拱頂與拱腳均為3m，拱頂處的截面高7.0m，拱腳處的截面高12.0m。上、下弦管直徑1.2m，從拱腳至拱頂根據受力需要采用22～32mm 的壁厚，上、下弦管內通過泵送頂升灌注C55 微膨脹混凝土，以降低混凝土收縮徐變的影響；拱肋腹桿采用直徑610mm，壁厚16mm 的無縫鋼管；拱肋橫綴管采用直徑813mm，壁厚20mm 的無縫鋼管。單根拱肋分24 個節段加工制作及安裝，節段最大重量100t。

圖1 某大跨中承式鋼管混凝土拱橋立面布置（單位：m）

2.2 拱肋橫撐

拱肋橫橋向中心間距為23.9m，上下游拱肋橫向聯系采用X 撐橫聯［2］，單幅橋共設24 道X 撐橫聯。橫聯鋼管采用直徑0.92m 無縫鋼管，鋼管壁厚16mm。

2.3 吊桿

全橋吊桿形式為單吊桿，吊桿順橋向標準間距13.4m，橫橋向間距23.9m，共設20 對吊桿，吊桿為鍍鋅平行鋼絲成品索，彈性模量為1.9×105MPa，平行鋼絲抗拉強度1670MPa，吊桿設計安全系數K＞3.0。

2.4 橋面系

橋面系采用連續的鋼格子梁體系，鋼格子梁由鋼縱梁與鋼橫梁組成，格子梁上為14cm 厚混凝土板并與格子梁形成鋼-混組合橋面板。主橫梁順橋向標準間距13.4m，截面為工字型，端部梁高1.4m，跨中梁高2.2m，底板厚34mm，頂板厚16mm；次橫梁順橋向標準間距2.68m，工字形截面，底板厚18mm，頂板厚16mm；縱梁共設5道，工字形截面，邊縱梁底板厚20mm，頂板厚16mm，其他縱梁底板厚18mm，頂板厚16mm。橋面瀝青混凝土鋪裝厚7cm。

2.5 主墩及拱座

拱座基礎形式為擴大基礎，采用爆破明挖施工后滿槽澆筑C30 混凝土，明挖時盡量保持拱座基礎背面垂直開挖。

2.6 交界墩

為了進一步增大拱座處恒載，以有利于拱座基礎的抗滑移，主引橋交界墩設置于拱座基礎上。

2.7 伸縮縫

伸縮縫采用單元式預應力多向變位伸縮縫，交界墩設置一道YLF240 伸縮縫。

2.8 支座

主橋拱上立柱支座采用防落梁抗震鋼支座、球形鋼支座，交界墩處采用盆式橡膠支座。

3 靜力計算

3.1 恒載

按拱肋鋼管及混凝土、綴板、綴管鋼材、鋼橫梁鋼縱梁及橋面板等實際重量計算，主橋鋼管中混凝土容重按25.0kN/m3計算，主橋其他混凝土容重按26kN/m3進行計算，下部結構混凝土容重按26kN/m3計，鋼材密度按7850kg/m3計算。鋼橫梁及鋼縱梁內加勁構件以荷載形式來補充，二期恒載采用荷載形式輸入。

3.2 活載

汽車荷載公路—Ⅰ級，單幅橋汽車活載按4 車道布置，進行空間布載，橫向折減系數0.67；縱向折減系數0.97，橫向偏載系數1.15。沖擊系數及汽車制動力按《公路橋涵設計通用規范》相關規定取值。考慮風荷載、溫度作用、基礎變位等的影響［3］。

橋梁結構整體靜力分析采用Midas/Civil 進行空間結構分析。吊桿采用桁架單元模擬。拱肋、腹桿、橫撐采用梁單元模擬，主梁采用梁單元與板單元組合模式，邊界條件按實際模擬，全橋空間有限元模型如圖2 所示。

圖2 橋梁空間有限元模型

3.3 靜力計算結果

持久狀況中應力結果按標準組合，持久狀況標準組合拱肋鋼管最大應力為-197.54MPa（應力以拉為正，壓為負），應力符合規范要求。應力包絡為-143.58MPa～ 108.94MPa，應力符合規范要求。持久狀況標準組合吊桿最大應力為361.04MPa，應力符合規范要求。

可見，前文擬定的拱肋、橫聯、吊桿等橋梁構件的構造尺寸是合理的。

4 結語

鋼管混凝土拱橋應結合地形地質以及行洪通航條件進行總體設計，以確定跨徑、橋面高度等，并應結合靜力分析結果確定構造尺寸，以滿足規范要求。