鋼箱系桿拱橋結構設計與施工

衛高紅

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

系桿拱橋具有建筑高度低、工程規模小、造價相對較低、造型優美且能很好地與原有道路銜接等優點，特別適用于地基條件較差、建筑高度受限的新建橋梁設計和老橋改造。同時，系桿拱橋跨越能力大、拱肋造型變化多樣，能與周圍環境融為一體，具有良好的景觀效果。

1 工程概況

為滿足繁忙的航道及大型船舶的通行，京杭運河某段提升為Ⅱ級航道，原有老橋不能滿足Ⅱ級航道通航凈空（100×7 m）要求，需要對其進行原位拆除重建，以盡量減少改造范圍。新建橋梁采用120 m下承式鋼箱系桿拱橋，頂推施工方案，最大限度地減小了對航道的影響，同時兼顧了景觀效果。

2 主橋橋型方案選擇

新橋屬原位改建，為方便兩岸居民出行，設計時考慮盡量減少其接線改造長度。航道通航凈空100×7 m，考慮兩側駁岸寬度，主橋一跨過河跨徑需120 m左右。在120 m跨徑常見的橋梁結構形式中，主要有預應力混凝土連續梁橋、系桿拱橋及鋼桁架橋等，這些結構分別在建筑高度、行車舒適性、施工難度、可維護性、景觀等方面各具特色。預應力混凝土連續梁主梁高度大，改造長度長，與平交口銜接困難。主橋橋型方案主要對系桿拱橋與鋼桁架橋進行比選，系桿拱橋采用鋼箱或混凝土系桿。

表1 不同橋型方案比較

綜合比較，鋼箱系桿拱橋具有結構輕盈、建筑高度低、對原有道路改造范圍小等優點，尤其是采用頂推施工可以最大限度地減小對航道的影響。綜合比選選擇鋼箱系桿拱橋方案作為該橋設計的推薦方案。

3 結構設計

3.1 總體設計

該橋按一級公路標準設計（兼顧城市道路功能），橋梁設計荷載等級為公路-I級。主橋上部結構采用120 m跨徑下承式鋼箱系桿拱橋，計算跨徑117.6 m，剛性系桿剛性拱，拱軸線為二次拋物線，拱肋成提籃型，使結構整體穩定性更好；同時考慮到了橋梁的景觀效果，并與城市及周邊建筑相協調，兩側人行道外挑；系桿及拱肋均采用鋼箱結構，避免了拱腳大體積混凝土帶來的病害，使結構更顯輕盈；橋面系采用疊合梁結構，平行鋼絲成品束吊桿。下部結構為混凝土柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。橋梁上部結構尺寸如圖1所示。

圖1 主橋橫斷面尺寸標注（單位：cm）

3.2 拱肋內傾角度確定

在滿足行車凈空的基礎上，為最大限度地提高結構的穩定性，同時兼顧橋梁景觀效果，該橋擬采用提籃拱造型。在其他因素不變的前提下，分別選取拱肋內傾0°（平行拱）、4°、8°、12°進行了結構穩定性分析。經計算，隨著拱肋內傾角度的增大，整體穩定系數有增大的趨勢，橋梁整體失穩均為1/4面外失穩，具體結果見表2和圖2。綜合穩定性計算和橋梁凈空要求，該橋拱肋內傾角度選用12°。

表2 拱肋內傾角度對整體穩定影響

圖2 不同拱肋傾角的一階失穩模態

3.3 鋼箱拱肋

拱肋為偏心受壓構件，采用全焊箱形加勁截面，箱高2.4 m，寬1.6 m，二次拋物線線型。在豎向平面內拱肋矢高23.52 m（矢跨比1/5），斜平面內矢高24.05 m。根據受力需要，拱肋中間部分頂、底板厚20 mm，腹板厚20 mm，靠近拱腳段均采用24 mm，拱腳段加厚至30 mm。為滿足局部穩定的需要，在頂、底板各設2道縱向加勁肋，腹板設4道板型縱向加勁肋，加勁肋高200 mm，厚16 mm；沿拱肋軸線方向每隔約2 m左右設一道橫隔板，在有吊桿處隔板厚20～25 mm，非吊桿處隔板厚12 mm。

3.4 鋼箱系桿

由于拱肋的內傾，主橋系桿采用全焊平行四邊形截面，箱梁高2.0 m，寬1.6 m。系桿為偏心受拉構件，根據計算不設置系桿預應力，減少了施工難度。系桿頂、底板厚30 mm，腹板為斜腹板，厚20～30 mm，分別在頂底板和腹板設3道縱向加勁肋，加勁肋均為板形，高140 mm，厚12 mm。沿系桿中心線每3.5 m設一道橫隔板，在有吊桿處隔板厚20～25 mm，非吊桿處隔板厚16 mm。

3.5 吊桿

考慮到系桿高度較低，箱內設置吊桿錨頭困難，在系桿端采用叉耳式錨固裝置銷接在系桿上。拱肋內部設置張拉端，并設計了爬梯方便吊桿施工及檢修。主橋共設置28根吊桿，吊桿縱橋向間距為7.0 m。靠近拱腳處4根吊桿采用91φ7，其余吊桿均采用73φ7高強度鍍鋅平行鋼絲束，標準強度為1 670 MPa，PE雙護層。系桿端吊桿采用吊耳銷接在系桿上，拱肋端采用錨壓板。錨具采用冷鑄錨，橋面處錨頭為固定端，拱肋處錨頭為張拉端。吊桿結構如圖3所示。

圖3 吊桿結構

3.6 橋面系

橋面采用疊合梁結構，由中橫梁、端橫梁、縱梁、混凝土橋面板組成。中橫梁采用工字形鋼梁，頂面設置剪力釘與混凝土橋面板結合形成疊合梁。橫梁上翼緣寬600 mm，板厚20 mm；下翼緣寬600 mm，厚20 mm；腹板厚16 mm。工字梁每隔1.65 m設一道豎向加勁肋，板厚12 mm，加勁肋的高度隨梁高變化而變化。兩道橫梁之間設置1道縱梁，縱梁上翼緣寬600 mm，板厚16 mm，下翼緣寬500 mm，板厚12 mm，腹板厚12 mm，梁高為700 mm。

橋面板為預制鋼筋混凝土板，厚度為25 cm，橋面采用10 cm瀝青混凝土鋪裝層。

4 結構分析

橋梁整體計算考慮結構自重、汽車及人群活載、制動力、風荷載等作用，同時考慮整體升降溫及鋼結構與拉索溫差對結構受力的影響，采用Midas軟件進行結構計算分析。

4.1 計算結果

在基本組合作用下，考慮最不利工況，拱肋跨中最大壓應力-158.3 MPa，拱腳最大壓應力-166.2 MPa，系桿最大拉應力182.1 MPa，中橫梁最大拉應力145.3 MPa，最大壓應力-151.5 MPa，均滿足規范要求[2]。

標準組合下，吊桿最小索力1 209 kN，最大索力為1 336 kN。吊桿73φ7高強度鍍鋅平行鋼絲破斷力為4 691.6 kN，安全系數達到3.5，滿足受力要求。吊桿內力計算結果如圖4。

圖4 吊桿內力（單位：kN）

在車道及人群活載作用下，結構最大豎向位移為67.2 mm，小于規范1/500的要求[2]。計算結果如圖5。

圖5 活載豎向變形（單位：mm）

4.2 穩定計算結果

主橋整體穩定計算結果見表3。一階穩定系數達到15.6，結構穩定性滿足規范要求。

表3 主橋整體穩定

5 主要施工工序

5.1 施工方案構思

京杭運河航運繁忙，主橋跨航道上部結構施工首先應考慮減少對船舶航運的影響。綜合考慮拱橋的各種施工方法，并對施工現場條件進行分析，選定了頂推施工方案。施工過程中，在原有橋梁上部結構拆除后，可以利用其橋墩設置支架，作為施工過程的臨時支墩，方便頂推也減少了臨時支架的搭設，同時減少了對通航的影響。

5.2 施工工序

a）工廠制作鋼結構桿件運至現場，按系桿→橫梁→縱梁→拱肋支架→拱肋及風撐→下個節段系梁、拱肋順序進行拼裝，人行道頂推完成后安裝。主橋主要支點下部安裝滑移體系（滑靴固定），拱肋與系梁間設置臨時支撐。

b）安裝頂推導梁，水中設置臨時支撐（老橋橋墩位置），預留通航孔。

c）利用新建橋墩作為反力架，對岸設置牽引裝置，使頂推千斤頂慢慢滑移拖拉前行，過程中監控各滑移支點的受力及整體變形。

d）通過頂推拖拉施工，將主橋鋼結構頂推至設計位置。

e）拱肋與系梁改臨時支撐為吊桿連接，拆除臨時支架、落梁。

f）安裝人行道挑梁及橋面系，成橋。

圖6 主橋導梁頂推施工現場

6 施工過程分析

6.1 計算模型

主橋整體施工采用空間梁單元進行分析，計算模型如圖7。頂推導梁共兩根，長25 m，采用工字鋼截面，Q235鋼材。導梁與系桿相連一端梁高2 m，至另一端截面漸變為1.5 m。為增強導梁的橫向剛度，兩導梁間設置橫向支撐。橫撐采用鋼管桁架，Q235鋼材，弦桿采用Φ114×8 mm鋼管，腹桿采用Φ76×6 mm鋼管。

圖7 總體計算模型

6.2 施工計算結果

頂推施工采用固定滑靴體系，支撐點位于支座處及拱肋與系桿支撐點下方，除支座外，另設置8處臨時支撐，具體布置見圖8。在頂推最大懸臂階段，主梁結構總體應力較小，最大應力為69.5 MPa，導梁最大應力102.6 MPa，滿足規范要求。

圖8 頂推臨時支撐布置（單位：mm）

頂推施工過程中，各支撐點反力的變化如表4。

表4 頂推過程中各支撐點反力變化 kN

從表4可以看出，施工過程中支撐點最大反力發生在支點6位置，應力達5 163 kN。選取該點進行局部有限元分析，經計算局部應力達到260 MPa。施工過程中通過對系桿腹板進行局部鋼板加強，確保了頂推過程中受力安全。

7 結語

通航繁忙的航道老橋改造采用鋼箱混凝土系桿拱橋、頂推施工方案，有效減小了橋梁施工對航道的影響，節約了工程造價，同時與周圍環境融為一體，營造了良好的景觀效果。本文的介紹與分析，將為今后同類橋梁的設計提供一些有益的借鑒。