主跨120 m 下承式鋼管混凝土系桿拱的設計與施工

■蔣 義

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

下承式鋼管混凝土系桿拱外形美觀，拱肋、吊桿、系桿的組合具有結構自重輕型、跨越能力強、建筑高度低等特點，但系桿拱缺點也較為凸出，橋梁運行期結構病害較多，吊桿養護更換、結構整體穩定性差等，嚴重影響行車的舒適性與安全性。 因此， 減少系桿拱橋梁病害的產生對于橋梁設計和養護管理工作者是一項非常重要的工作。 為提高結構整體穩定性能， 本研究針在設計階段提出采用4 道K 型風撐加一道1 字型風撐組合形式，進行結構設計分析研究， 同時對各構件安全性進行了驗算。

1 工程簡介

新建大橋起點樁號為K0+000，路線由西向東，上跨京杭運河(內河限制性Ⅲ級90×7 m)航道，終點與村道相接， 終點樁號為K1+540， 路線全長1.54 km，橋長440 m，本橋平面位于直線上，縱斷面采用2.5%雙向縱坡，橫斷面采用2%雙向橫坡,橋梁跨徑為（13×20+120.0+3×20）m。 本項目建設對于解決運河兩岸居民出行、完善路網結構，加強區域溝通具有重要的意義，橋梁荷載等級：公路Ⅰ級，設計時速40 km/h,橋梁寬度為10.5 m。

2 結構概述

京杭運河大橋主跨為下承式鋼管砼系桿拱橋，采用柔性吊桿， 系桿軸線為R=4 000 m 的圓曲線，拱肋軸線方程為f=4fx(L-x)/L2，計算跨徑L=120 m，計算矢高f=24 m，矢跨比為1∶5。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土，截面高2.4 m；拱肋鋼管外徑1.0 m，鋼管壁厚16 mm，內充C50 微膨脹混凝土；拱肋腹腔壁厚16 mm，內充C50 微膨脹混凝土。 全橋橫向設置一字型風撐3 道，K 型撐2 道， 橫向風撐鋼管壁厚10 mm； 吊桿索體采用1 860 MPa 級15 根Φs15.2 mm 環氧噴涂無粘結鋼絞線纏包后熱擠PDHE，橋面以上2 m 高度外包不銹鋼套管，共設吊桿22 對，吊桿間距5.1 m；系梁采用實心截面，系桿截面梁高2.2 m，寬1.4 m，拱腳段系梁加厚至梁高3.8 cm，寬1.8 m；端橫梁采用箱型斷面，支點處高1.98～2.06 m，寬2.5 m；中橫梁高為1.1～1.184 m，寬0.9 m；橋面2%雙向橫坡由橫梁兩端安裝高度的變化進行調整；系梁和橫梁均為預應力結構；拱腳設計勁性骨架。

每根系梁內設永久預應力束（體內束）16 束，單束鋼絞線15Φs15.2 mm， 端橫梁每根布設6 束10Φs15.2 mm 鋼絞線， 中橫梁每根布設4 束7Φs15.2 mm 鋼絞線，兩端張拉每束鋼絞線的張拉控制應力均為1 395 MPa。

主橋行車道板采用17 cm 現澆疊合板+18 cm預制板拼裝先簡支后連續鋼筋混凝土結構，預制中板寬99.5 cm， 預制邊板寬119 cm， 現澆鉸縫寬1.0 cm。 現澆疊合板上設置防水層，然后再鋪10 cm瀝青混凝土。 橋梁立面圖見圖1。

圖1 橋梁立面圖

3 結構設計荷載與組合

主橋系梁、端橫梁、中橫梁按A 類預應力砼構件設計，其他構件按普通鋼筋混凝土構件設計[1]。

3.1 計算荷載

（1）一期恒載：按實際結構自重取值,鋼材容重78.5 kN/m3混凝土容重26 kN/m3。 （2）二期恒載：橋面鋪裝16.8 kN/m，防撞護欄10 kN/m。 （3）汽車荷載:汽車荷載按公路I 級。（4）拱肋、吊桿、系梁、護欄考慮風荷載：1/100（無車）和橋面風速25 m/s（有車）兩種工況參與荷載組合[2]。

3.2 材料參數

混凝土：C50 混凝土（用于主拱、系梁、橫梁），主要力學性能指標: （1）材料:C50 混凝土；（2）彈性模量:Ec=3.45×104MPa；（3）混凝土軸心抗壓、抗拉強度標準值: fck= 32.4 MPa、 ftk=2.65 MPa；（4）混凝土軸心抗壓、抗拉強度設計值:fcd=22.4 MPa、ftd=1.83 MPa。

預應力鋼材：吊桿、系梁、橫梁及引橋上構預應力采用φ15.2 mm 的高強度低松弛鋼絞線， 其主要力學性能指標：（1）材料:預應力鋼絞線；（2）彈性模量: Ec=1.95×105MPa；（3）預應力鋼絞線抗拉、抗壓強度設計值: fpk=1860 MPa、ftd=1260 MPa。

3.3 荷載組合

針對不同的極限狀態組合進行計算和驗算時，各個荷載作用的組合分項系數按JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》[3]取值。

4 結構空間靜力計算

4.1 結構模型

主橋結構總體靜力計算采用Miads Civil 2015程序[4]建立空間桿系模型。 拱肋、風撐、系梁、橫梁采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬,按實際支座情況加上邊界條件。 結構計算模型見圖2。

圖2 結構計算模型

4.2 計算結果

4.2.1 主橋成橋階段內力測算

成橋狀態下主橋拱肋、 系桿軸力圖見圖3；拱肋、系桿剪力圖見圖4；拱肋、系桿彎矩圖見圖5；拱肋、系桿彎矩圖見圖6。

圖3 成橋狀態下主橋拱肋、系桿軸力圖

圖4 成橋狀態下主橋拱肋、系桿剪力圖

圖5 成橋狀態下主橋拱肋、系桿彎矩圖

圖6 成橋狀態下主橋吊桿軸力圖

4.2.2 主橋拱肋承載力驗算

基本組合作用下主橋拱肋軸力包絡圖見圖7；拱肋剪力包絡圖見圖8；拱肋彎矩包絡圖見圖9。

圖8 基本組合作用主橋下拱肋剪力包絡圖

圖9 基本組合作用下主橋拱肋彎矩包絡圖

根據JTG D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》中5.3.2 條[5]，啞鈴型拱肋按偏心受壓構件計算其承載力時，應滿足：

經計算，fsc=63.54 MPa，Asc=0.7854 m2，Kp=0.956，Kd=0.95，拱肋的承載能力計算結果見表1。

表1 主橋拱肋承載能力計算結果

4.2.3 主橋系梁抗裂驗算

短期組合作用下主橋系梁上緣最大拉應力包絡圖見圖10；系梁下緣最大拉應力包絡圖見圖11。

圖10 短期組合作用下主橋系梁上緣最大拉應力包絡圖

圖11 短期組合作用下主橋系梁下緣最大拉應力包絡圖

由上述結果可知，混凝土系梁按部分預應力A類構件設計，短期組合下系梁上下緣均未出現拉應力，滿足規范要求。

4.2.4 主橋系梁壓應力驗算

標準組合作用下主橋系梁上緣最大壓應力包絡圖見圖12； 系梁下緣最大壓應力包絡圖見圖13。

圖12 標準組合作用下主橋系梁上緣最大壓應力包絡圖

圖13 標準組合作用下主橋系梁下緣最大壓應力包絡圖

由上述結果可知，標準組合作用下系梁上緣最大壓應力為-15.8 MPa， 下緣最大壓應力為-12.9 MPa，小于規范限值16.2 MPa，滿足規范要求。

4.2.5 主橋中橫梁抗裂驗算

短期組合作用下主橋中橫梁上緣最大拉應力包絡圖見圖14； 橫梁下緣最大拉應力包絡圖見圖15。

圖14 短期組合作用下主橋中橫梁上緣最大拉應力包絡圖

圖15 短期組合作用下主橋中橫梁下緣最大拉應力包絡圖

由上述結果可知，混凝土中橫梁按部分預應力A 類構件設計，短期組合下中橫梁上下緣均未出現拉應力，滿足規范要求。

4.2.6 主橋中橫梁壓應力驗算

標準組合作用下主橋中橫梁上緣最大壓應力包絡圖見圖16； 橫梁下緣最大壓應力包絡圖見圖17。

圖16 標準組合作用下主橋中橫梁上緣最大壓應力包絡圖

圖17 標準組合作用下主橋中橫梁下緣最大壓應力包絡圖

由上述結果可知，標準組合作用下中橫梁上緣最大壓應力為-8.6 MPa， 下緣最大壓應力為-11.8 MPa，小于規范限值16.2 MPa，滿足規范要求。

4.2.7 主橋端橫梁抗裂驗算

短期組合作用下主橋端橫梁上緣最大拉應力包絡圖見圖18； 橫梁下緣最大拉應力包絡圖見圖19。

圖18 短期組合作用下主橋端橫梁上緣最大拉應力包絡圖

圖19 短期組合作用下主橋端橫梁下緣最大拉應力包絡圖

由上述結果可知，混凝土中橫梁按部分預應力A 類構件設計，短期組合下中橫梁上下緣均未出現拉應力，滿足規范要求。

4.2.8 主橋端橫梁壓應力驗算

標準組合作用下，主橋中橫梁上緣最大壓應力包絡圖見圖20； 橫梁下緣最大壓應力包絡圖見圖21。

圖20 標準組合作用下主橋端橫梁上緣最大壓應力包絡圖

圖21 標準組合作用下主橋端橫梁下緣最大壓應力包絡圖

由上述結果可知，標準組合作用下中橫梁上緣最大壓應力為-3.5 MPa， 下緣最大壓應力為-5.1 MPa，小于規范限值16.2 MPa，滿足規范要求。

4.2.9 吊桿計算

依據JTG-T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》，標準組合作用下，運營狀態下吊桿的安全系數應不小于2.5。

圖22 標準組合作用下吊桿最大拉力

4.2.10 主橋結構剛度驗算

活載作用下主梁拱肋豎向最大撓度見圖23；拱肋豎向最小撓度見圖24；橋面系豎向最大撓度見圖25；橋面系豎向最小撓度見圖26。

圖23 活載作用下主梁拱肋豎向最大撓度

圖24 活載作用下主梁拱肋豎向最小撓度

圖25 活載作用下橋面系豎向最大撓度

圖26 活載作用下橋面系豎向最小撓度

由上述結果可知，汽車活載產生的拱肋最大豎向位移為4.5 cm

4.2.11 結構整體穩定分析[6]

成橋階段考慮恒載及活載作用，計算求得結構前3 階失穩模態見圖27～29。

圖27 成橋階段一階失穩模態

圖28 成橋階段二階失穩模態

圖29 成橋階段三階失穩模態

由上述結果可知，前3 階失穩模態均為拱肋橫橋向的反對稱、 對稱彎扭失穩， 一階穩定系數為4.4，滿足規范穩定系數大于4 的要求。

5 施工方案

主橋上部結構采用少支架施工方案，施工期間預留通航孔確保航道的正常通行。 具體施工步驟如下：

（1）澆筑主墩灌注樁，現澆承臺、立柱、蓋梁、安裝主橋支座， 調整好支座高度并注意支座滑動方向，保證支座水平，并在同一平面上。 施工支架的臨時防撞鋼管墩見圖30。

圖30 主橋施工流程示意圖

（2）搭設系桿、橫梁支架。 搭設支架預留2 個通航孔,通航孔凈空滿足要求，支架兩側應設置鋼管防撞墩以及信號設施，支架要求足夠牢固，并通過超載預壓以滿足施工要求。 在支架上現澆4 個拱腳及兩根端橫梁。 待現澆混凝土達到設計強度后，吊裝預制好的系梁預制節段，現澆系桿接頭砼。 拼裝中橫梁，并澆注中橫梁現澆接頭。 待現澆接頭混凝土達到設計強度要求，張拉系梁部分預應力束，然后張拉橫梁部分預應力束灌漿封錨（圖31）。

圖31 主橋施工流程示意圖

（3）搭設拱肋安裝支架，要求滿足強度、剛度、穩定性。 鋼管拱肋節段從工廠運至工地，分段安裝鋼管拱肋，鋼管拱拼裝后安裝拱肋間的風撐。 泵送法灌注拱肋鋼管內混凝土，灌注順序為：先下鋼管，然后上鋼管,最后腹腔,見圖32。

圖32 主橋施工流程示意圖

（4）待鋼管內混凝土達到設計強度后,拆除拱肋支架,對稱安設各吊桿，并對吊桿進行初步收緊。進行吊桿第1 次張拉， 張拉力為每根270 kN;張拉要求以跨中為對稱進行， 并不斷調整其索力，使每根吊桿張拉力達到設計要求，保持吊桿索力均衡。 安裝預制橋面板。 張拉系梁的部分預應力束，張拉橫梁部分預應力束，灌漿封錨。 進行吊桿的第2 次張拉，每根吊桿的張拉力為540 kN，張拉順序同第1 次張拉。 現澆護欄，澆注橋面板鉸縫及現澆接頭，鋪筑橋面現澆疊合板及瀝青橋面鋪裝。進行吊桿第3 次張拉，吊桿張拉力為790 kN，對各吊桿索力進行檢測, 滿足設計要求方可灌漿封錨,見圖33。

圖33 主橋施工流程示意圖

（5）檢查吊桿索力，要求與成橋吊桿索力誤差不大于5%。吊桿兩端進行灌漿以及澆筑封端砼。拆除橋面下臨時支架及鋼管防撞墩。 安裝伸縮縫，完成全橋施工,見圖34。

圖34 主橋施工流程示意圖

6 結論

本研究下承式鋼管混凝土采用4 道K 型風撐加一道1 字型風撐組合形式，前3 階失穩模態均為拱肋橫橋向的反對稱、對稱彎扭失穩，一階穩定系數為4.4＞4，滿足規范穩定系數要求。 相比全部采用1 字型風撐結構整體穩定性顯著提高。 施工期需確保鋼管混凝土填充密實， 增強鋼管混凝土的強度。 拱橋吊桿容易疲勞破壞，應加強后期管養工作，對損傷吊桿及時更換。 本研究下承式鋼管混凝土設計分析可以作為同類橋梁借鑒與參考，希望能給同類橋梁的建設提供一些寶貴的經驗。