某單跨100 m 鋼箱系桿拱橋總體設計

周祥樹

（江蘇省科佳工程設計有限公司，江蘇 無錫 214002）

0 引 言

隨著人們審美觀的提升，對城市橋梁外觀及造型要求越來越高，而受建設場地及橋下通行限制，傳統混凝土系桿拱橋已難以滿足施工要求。

下承式鋼箱系桿拱橋由于其跨越能力強、結構高度低、工廠化預制、架設速度快、中斷交通時間最短等優越性，近年來在橋梁領域應用越來越多。同時鋼箱系桿拱橋結構輕巧獨特、富有動態，配以靚麗涂裝還能為城市增添一道風景線，因此在城市橋梁領域有著特殊的優越性，應用前景樂觀。

我國的應用實踐表明，鋼箱系桿拱橋不僅可以很好地滿足結構功能要求，而且具有良好的技術經濟效益[1]。隨著設計規范及計算軟件的發展，對鋼箱系桿拱橋的計算也越來越完善。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目位于無錫市錫山經濟開發區西部，橋梁位于通云路上中心樁號K0+314.874，主橋跨越現狀北興塘河五級航道，通航凈空45 m×5 m，道路中心線與航道夾角62.1°。橋位西側為1 根架空110 kV高壓電纜，電纜與橋位水平凈距最低1.4 m；橋位東側為2 道架空熱力管道，管道距橋位邊線約8 m。根據實際調查，現狀高壓電纜及熱力管道均不具備遷改條件。主橋橋位平面圖見圖1。

圖1 主橋橋位平面圖

橋梁南引橋下存在1 條下穿道路，橋梁中心樁號距南側交叉口不足300 m。受水域通航要求，主橋跨度應不低于100 m；受現場建設條件和投資限制，主橋應盡量降低結構高度，同時減小引橋規模以節約投資，且主橋施工不能采用吊裝或支架拼裝施工。經過方案比選論證，最終確定主橋采用單跨100 m 下承式鋼箱系桿拱結構，引橋采用20 m 預應力混凝土簡支板梁；主橋采用南岸拼裝、整體頂推過河，引橋采用橋位東側吊裝施工。

1.2 結構概況

橋梁橫斷面見圖2。橋面為C50 混凝土預制橋面板，主梁橫斷面布置：5.25 m（人非混行道）+1.75 m（拱肋）+0.5 m（邊防撞墻）+11.5 m（機動車道）+3 m（中分帶）+11.5 m（機動車道）+0.5 m（邊防撞墻）+1.75 m（拱肋）+5.25 m（人非混行道），全寬41 m。

圖2 橋梁橫斷面（單位：cm）

橋梁主橋立面圖見圖3。主橋采用下承式鋼箱系桿拱結構，主拱拱圈計算跨徑為96.8 m，矢高20 m，矢跨比為1/4.84，拱軸線采用2 次拋物線。上部結構由橋面系統、拱肋、吊桿等組成。其中橋面系統由外側挑梁、系桿及鋼橫梁組成。

圖3 橋梁主橋立面（單位：cm）

主橋立面布置如下：

（1）拱肋：拱肋采用3 片全焊矩形鋼箱結構，拱圈結構采用2 050 mm×1 750 mm 矩形斷面，頂底板厚度20～24 mm，腹板厚度20～24 mm，拱圈內部每邊設置I 型縱向加勁。為增強拱肋橫向穩定性，2 片拱肋間設置鋼風撐，拱肋斷面見圖4。

圖4 拱肋斷面（單位：mm）

（2）吊桿：采用平行高強鋼絲成品索，吊桿縱橋向間距均為5 m。上端采用吊耳銷接在拱肋上，系梁端采用冷鑄墩頭錨，吊桿錨頭設置球面支座，以減小吊索附加內力。

（3）系梁：采用3 片全焊矩形鋼箱結構，邊系桿采用2 200 mm×1 750 mm 矩形斷面，中系桿采用2 433 mm×1 750 mm 矩形斷面；系桿頂底板厚度24～28 mm，腹板厚度24～28 mm；系桿橫橋向與挑梁及橫梁焊接成整體，為便于橫向拼接，系桿頂、底板均設置翼緣板。系梁斷面見圖5。

圖5 系梁斷面（單位：mm）

（4）挑梁：挑梁為懸臂結構，主要承擔人行及非機動車道荷載；采用“工”字形斷面，工字型上翼緣寬0.6 m，下翼緣寬0.5 m，挑梁高度1.1～2.2 m，順橋向間距5 m，挑梁橫向與系桿焊接成整體。

（5）橫梁：端橫梁梁體為箱形斷面，縱橋向寬2.2 m，高度2.200～2.433 m；中橫梁為“工”字形斷面，上翼緣寬0.6 m，下翼緣寬0.5 m，中橫梁高度2.200～2.433 m。

（6）小縱梁：縱梁分為2 種類型，行車道橫向設置4 道縱梁，人行道范圍橫向設置2 道縱梁，均為“工”字形斷面，上翼緣寬0.6 m，下翼緣寬0.5 m；車行道縱梁梁高1.3 m，人行道縱梁梁高0.75 m。在橫梁、挑梁和車行道縱梁上設有剪力鍵。

2 結構分析

2.1 荷載及組合

（1）恒載：鋼筋混凝土容重γ=26 kN/m3；瀝青混凝土容重γ=24 kN/m3；鋼材容重γ=78.5 kN/m3。

（2）活載：汽車荷載取城－A 級，雙向6 車道；動車荷載按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）溫度荷載：計算體系均勻升溫30 ℃、降溫30 ℃引起的效應。

（4）風荷載：考慮橫橋向與汽車組合風，基本風速28.6 m/s。

2.2 計算模型

采用空間有限元程序（Midas/Civil）建立總體計算模型，其中拱肋、系梁、橫梁、縱梁采用梁單元，吊桿采用桁架單元，橋面板不參與總體受力。結構計算模型見圖6。

圖6 結構計算模型

2.3 主要計算結果

2.3.1 系梁強度

承載能力組合作用下，系梁最大應力130 MPa，小于規范[2]中Q345qd 鋼材強度270/1.1=245 MPa設計值，系梁強度滿足規范要求。

2.3.2 拱肋強度

拱肋面內抗彎慣性矩Iy= 0.106 863 m4，拱肋面積A= 0.180 4 m2。

計算長度L 為拱腳到橫撐的距離，約為35 m，則拱肋長細比為45.5，對應整體穩定系數為0.83。

承載力組合作用下，拱肋最大應力155 MPa，小于規范[2]中Q345qd 鋼材強度設計270/1.1×0.83=204 MPa，滿足規范要求。

2.3.3 結構整體穩定性

在恒載、制動力、橫風荷載、活載作用下對上部結構進行穩定性驗算，得到的1 階失穩模態見圖7。

圖7 1 階失穩模態（K=12.1）

在成橋工況下，1 階失穩為拱肋面內失穩，穩定安全系數K=12.1，滿足要求[3]。

3 施工方案

本工程頂推采用步履式頂推設備，在5#～9# 引橋蓋梁頂部、10# 和11# 主墩頂部設置頂推工作平臺。考慮到主橋跨徑為100 m，在距離10#、11# 主墩中心24.8 m 河中位置各設置1 排鋼管樁作為臨時支墩；為增加通航凈寬，臨時墩順航道斜向布置。頂推施工示意圖見圖8、圖9。

圖8 頂推施工示意圖（單位：mm）

圖9 橋梁頂推施工現場圖

為減小鋼拱橋懸臂距離，保證頂推過程穩定性，在前端位置加設26 m 前導梁，前導梁上通過背撐與鋼拱肋連接；為減小主橋后端下撓，在主橋后端增設12 m 后導梁。

步履式頂推為水平力自平衡系統，頂托作業時橋墩及基礎總體計算時可不計入水平力影響，僅在支架局部計算時需考慮水平荷載影響。借鑒以往經驗，考慮頂推過程中構件局部変形不利因素，本項目頂推水平力計算按靜摩擦系數0.1 控制。

本橋為柔性吊桿，頂推過程中，拱肋與系桿間須設置臨時支撐以改善系梁受力。綜合比較施工措施費用、施工難度、安全性，最終確定采用將拱肋拼裝支架作為臨時支撐，隨主橋一起頂推過河的施工方案。臨時胎架底部與系梁焊接固定，頂部與拱肋底板設置螺栓連接，按鉸接設計，以降低頂推過程中的次效應。頂推施工前，對吊桿進行初張拉，初張拉荷載100 kN。初張拉荷載可有效地對支架進行預壓，改善頂推過程中支架與系梁及拱肋連接節點的受力狀態。

目前橋梁已建成通車近3 a，使用狀況良好。現狀施工完成橋梁見圖10。

圖10 現狀施工完成橋梁

4 結 語

（1）鋼箱系桿拱橋可以降低主梁重量、提升跨越能力、降低結構高度，在景觀及對梁高要求高的跨河跨路工程中，應用較為廣泛。

（2）本項目受兩側架空管線限制，主橋無法采用傳統的支架或吊裝施工工藝。采用鋼箱系桿拱橋整體頂推過河的施工方案，能有效解決主橋施工難題。

（3）主橋頂推施工時，將步履式頂推裝置設置于引橋蓋梁頂，可大大節省施工支架措施費用，也加快了施工工期。

（4）橋面采用鋼筋混凝土預制橋面板，既能有效降低主橋頂推施工總體重量，又可降低后期橋面維護成本。