連續梁拱組合橋梁設計關鍵技術對策研究

孫威

（天津城建設計院有限公司第六分公司，安徽合肥 230008）

1 項目概述

根據安徽省來安縣城市總體規劃，塔山路規劃為城市主干路，道路寬度40m，斷面布置為：22m 機動車道+2m×2m 綠化帶+2m×4m 非機動車道+2m×3m 人行道。橋位處河道下口寬20m，上口寬約138.6m。

經多輪方案設計，遴選了4 個橋梁方案，并進行網上公示；公開征集意見且設置了投票功能，最終確定采用總長為125m 中承式系桿拱橋為實施方案。

后通過結構計算優化，采用3 跨自錨式系桿拱橋結構，跨度組合為20m+85m+20m。中心跨為半填充混凝土橋結構，邊跨為鋼筋混凝土橋（半拱）。三跨采用強大的系桿與整個機體相連，以保證整個建筑系統的安全和主跨拱腳的平衡。中跨拱肋為啞鈴形鋼管混凝土結構，主孔橋面裝有柔性吊桿、橫梁、橋面和固定扣件，以平衡主拱的方位，邊跨端部固定有壓緊拉桿。最大長度為20m，由2.5m 長直線段和鋼筋混凝土矩形拱肋半拱組成。

本橋主體結構構造上由主拱肋、吊桿、縱橫梁、橋面板、系桿、邊跨等上部結構和橋臺、橋墩、群樁基礎等下部結構，全橋主體由這兩大部分組成。

2 設計參數

（1）拱軸線參數。邊跨長20m，半拱結構，同時也是系桿錨固裝置，采用鋼筋混凝土結構。框架端直邊長2.5m，其余17.5m（水平長度），拱軸為長5.0m、長35m、矢跨比1/7 的二次拋物線。中跨采用啞鈴形鋼管結構，拱軸是二次拋物線，計算跨度為85m，矢量長度為21.25m，矢跨比為1/4。

（2）橋面寬度：22m 機動車道+2m×2m 綠化帶+2m×3.5m 非機動車道+2m×2.25m 人行道=37.5m。

（3）設計荷載：①永久荷載，包含自重荷載以及不均勻沉降10mm 的基礎變位作用。②可變載荷，主要包括汽車載荷、人群載荷、空氣載荷和溫度載荷等。③偶然荷載，來安縣地震核心為Ⅵ度，設計時間為0.4s，基本地震加速度為0.05g，地震震級為第二組。

3 施工過程簡述

滿堂支架現澆邊跨拱肋及密肋橋面板；利用拱腳節點型鋼骨架，安裝固定拱腳段，現澆拱腳錨固塊，人工灌注拱腳段混凝土；安裝拱肋臨時支架，依次吊裝拱肋；安裝橫撐及鋼橫梁。其后安裝吊桿，并從拱頂向拱腳對稱均衡吊裝橫梁。然后安裝縱梁并現澆縱梁濕接縫；張拉吊桿，調整橫梁頂面高程，滿足成橋階段要求。最后安裝預制橋面板并實施橋面鋪裝、附屬設施。施工過程中通過系桿的逐級張拉，將拱肋、橫梁、縱梁等逐漸形成整體受力體系。

4 主拱圈、縱橫梁及橋面板系統受拉措施的研究

設計和施工過程中進行了以下幾方面關鍵技術的對策研究。

4.1 關鍵技術

（1）組合結構的受力狀態。首先進行邊跨的現澆施工，完成后釋放主梁下方支撐；其次在拱座位置安裝拱肋、縱梁和橫梁，吊裝橫梁后分段安裝縱梁并澆筑連接，形成整體框架受力狀態，然后完成預應力的第一次張拉。全橋主要的承重結構形成了拱梁組合結構，它們承受了結構的自重及臨時施工荷載。此時，全橋應力狀態基本形成。

在前一步基礎上，逐步實施橋面板和橋面板整體現澆層，此時全橋形成主要的橋面系承重結構。在該階段，靜載和活載處于應力狀態。最后建造橋面系統，例如欄桿、瀝青鋪裝和過橋管線，這些均作為自重載荷進行加載模擬。

（2）剛性梁和剛性拱的縱橫梁系統的整體橋面受以下因素影響：①在主拉力處于受力狀態下，橋面板在縱橫梁之間，二次澆筑引起收縮應力。②由于拱腳的強大推力，引起橋面出現拉應力。③同時考慮橋面板在中心支點處的負彎矩效應，也導致橋面出現拉應力。以上3 種應力可能會導致橋面開裂。橋面的裂縫控制是本項目的關鍵技術。

4.2 對策研究

橋面板開裂解決方案：①使用微膨脹混凝土對橋面板進行兩次澆筑，以在橋面板中形成預壓縮應力。②在橋面板上的混凝土中添加諸如鋼纖維和聚合物纖維之類的纖維狀物質，以提高混凝土的抗拉強度，使橋面板上的裂縫分散并變得眾多而稀薄。③在橋面板上施加預應力以形成預壓縮應力，以減小混凝土的拉應力，從而防止裂縫或減小裂縫寬度的目的。④采用預壓實法，在第二階段的恒載和活載作用下或在允許范圍內，使橋面板混凝土的內部拉應力為零。

經計算，在縱橫梁上，預壓縮的48kN/m 的均布載荷可以抵消橋面板混凝土在第二階段的靜載荷和活載荷作用下產生的拉應力。

4.3 結論

經過研究，在系桿拱橋中，通過采取合理的施工工序以及有效的工程措施，可以彌補縱橫梁系統整體橋面板結構的缺陷，該方案技術上是可行的。

5 施工階段體系轉換中分階段分批張拉柔性系桿的受力分析及結構措施與對策研究

5.1 關鍵技術

本橋采用3 跨自錨式系桿拱橋結構，通過安裝平衡主拱方向的固定桿與整個機體相連，以保證拱的水平對齊，主跨的拱腳和整個建筑系統的安全。預應力系桿錨固于邊跨端部，邊跨端部設15.1m 長現澆密肋和邊跨拱肋組成一個整體，共同承受和傳遞系桿水平力，保證橋梁安全。

本橋結構體系復雜，由主跨、邊跨、橋墩（含拱腳錨固區）及系桿四大部分組成，這四部分四位一體，相互影響、相互依存，密不可分。其中系桿貫穿全橋，構成全橋的生命線。大橋施工階段體系轉換復雜，各個構件的施工順序需制定合理計劃，以保證成橋狀態滿足設計要求。

5.2 對策研究

系桿為平衡主拱拱腳水平推力，同時調整邊跨拱肋內力而設。本橋系桿采用成品拉索，貫穿全橋，并錨固于邊跨拱肋端部。系桿在全橋均為整束可調可換索式系桿。位于邊跨密肋現澆段系桿設預埋管，其他部分系桿錨固鋼箱內。

系桿采用整體分階段張拉工藝，滿足系桿分階段張拉需求。考慮溫度、松弛及邊拱彈性壓縮損失后，單根系桿永久索力約4000kN。通過邁達斯建模計算，隨著自重荷載的不斷增加，全橋系桿共分為四個張拉階段。

設計階段建立系桿力監測系統，采用數據集中采集式索力磁通量傳感器技術，實現對施工期間以及運營期間的系桿索力變化監測，以減小常規系桿力測量方法的誤差，監控橋梁施工及運營期間的結構安全性能。

由于主橋結構及受力十分復雜，施工階段較多，體系轉換頻繁，結構受力往往會偏離理想的受力狀態，依據《公路橋涵施工技術規范》，對于本橋這種跨徑較大的鋼結構拱橋，需由建設單位委托施工控制經驗豐富的單位在施工前對結構進行全面的考慮，以主梁線型、拱肋線形及系桿力、吊桿力為主控，對拱肋、吊桿、系桿和縱橫梁施工中標高、線型、偏位、梁拱應力、吊桿和系桿力等內容進行多層控制。通過制定周密的施工控制方案，指導施工的進行并提出必要的修改建議。

5.3 結論

通過系桿力的智能監測措施，施工過程中引入橋梁施工監控及成橋試驗，并在運營階段建立橋梁健康監測系統，多措并舉，能夠確保橋梁安全的同時達到設計的目標。同時健康監測系統可考慮與施工監控系統聯合設計，施工監控期間預埋件考慮成橋后健康監測系統的長期使用要求，以節約造價。

6 在拱肋安裝及鋼管拱灌注混凝土全過程中局部和局部應力狀態的對策研究

6.1 關鍵技術

（1）橋體鋼管拱部分可分為4 個施工環節：①工廠制作鋼管拱的管段。②將鋼管拱架安裝在橋面板的支架上。③拆下鋼管拱的支撐。④管內混凝土應采用泵送頂升壓注施工，由兩拱腳至拱頂對稱均衡地一次壓注完成。

（2）空鋼管拱肋的加工、運輸、吊裝和合攏，建議采用纜索吊裝法施工，纜索吊的設計及安裝由施工單位根據工程需要自行考慮；拱肋接頭采用少支架臨時固定措施。

（3）鋼管混凝土泵送一次成形。需考慮拱肋高度、澆注順序（原則上先上鋼管、次下鋼管、最后中間腹板，總體安排上需對稱、均衡灌注）、泵送微膨脹混凝土配合比、管內混凝土填充密實度檢測和質量檢驗等問題。進行鋼管混凝土拱肋的施工全過程中，全面的安全保障也是施工進度的保障。

6.2 對策研究

（1）使用ADINA 結構分析對鋼管拱灌注混凝土的全過程進行計算模擬。在澆灌混凝土的過程中，由于空心鋼管拱的硬度較低，從而會出現位移較大且應變能力弱的特征。這也導致在使用空心鋼管拱進行混凝土澆筑過程中，受力不均，而致使線彈性原理編譯的常用程序計算出現誤差。為計算的準確度得到有效保障，相關人員需掌握鋼管拱施工過程中的應力和變形，并在全過程計算過程中，使用非線性程序來指導施工，通過ADINA 非線性有限元程序來計算整個灌注過程。

（2）計算精度檢驗。為檢測計算的準確性，對基于線彈性理論的程序PRBP 的計算結果以及非線性程序ADINA 的結果和實際測量數據進行分析對比。

在ADINA 計算程序當中，可分為多個計算步驟：第一步是鋼管拱落架。第二步是澆筑拱腳倉混凝土。第三步是澆注拱頂倉混凝土。第四步是倒拱腰倉混凝土。

通過實際測量結果顯示：①在框架掉落時，會導致鋼管拱應力減弱與位置發生偏移。②拱腳倉混凝土澆筑之后的應力也產生的變化并出現位移現象。③澆筑完成后的鋼管拱應力發生變化并產生位移的情況。而PRBP 程序提供澆筑完成后鋼管拱的應力也有出現變化和位置發生偏移。

6.3 研究結論

①實際測量的數據值并未超限應力，控制值一般比計算的應力的更小，并且應力比ADINA 程序的結果更加平穩、均勻。②ADINA 程序計算的結果更接近實際測量的數據值。③PRBP 程序計算出的應力是最為平穩的、均勻的。