某中承式钢筋混凝土系杆拱桥主桥设计
2017-06-05
1 工程概述
某大桥主桥是横跨湖嘉申线湖州段航道的一座中承式系杆拱桥，采用“飞鸟式”造型，外观轻盈、优美，并且能够满足湖嘉申线Ⅲ级航道通航标准，实现结构造型与功能上的完美统一。
2 主要技术标准
2.1公路等级：全线按三级公路标准建设。
2.2设计行车速度：镇西大桥计算时速采用20km/h。
2.3桥梁宽度：大桥全宽15.8m，其中行车道宽12m。
2.4设计荷载：公路-Ⅱ级；
2.5设计洪水频率：1/50；
2.6通航标准：按Ⅲ级航道标准设计，桥下设计最高通航水位2.4m（1985国家高程基准），通航净孔为60m×7m。
2.7地震动参数：地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.45s。
3 总体布置
该大桥主桥采用“飞鸟式”系杆拱，跨径组合为34.5m+105m+34.5m，桥梁宽度15.8m，为柔性系杆刚性拱结构。桥型总体布置见图1。
3.1拱肋
该大桥主桥主拱为钢筋混凝土拱肋，按无铰拱设计，矢跨比F/L=1/4，拱轴线采用悬链线线型。拱肋截面为六边形，其中拱、梁交接处以下至拱脚段采用实心截面，截面上、下底宽1.2m，中间宽1.4m，高1.85m；拱、梁交接处以上采用空心截面，截面上、下底宽1.2m，中间宽1.4m，高1.85m，顶、底板厚0.375m。拱肋在拱、梁交接处设2道钢筋混凝土横梁，2.0m×1.4m空心菱形截面，截面壁厚0.2m，在拱顶附近设4道直径为0.7m钢管“一字”横向风撑。
该大桥主桥边拱为预应力混凝土拱肋，矢跨比F/L=1/4，拱轴线采用圆弧线线型。拱肋截面为六边形实心截面，上、下底宽1.2m，中间宽1.4m，高1.6m。拱肋跨间中部设一道钢筋混凝土横系梁，0.6cm×1.2m矩形断面；拱肋端部设钢筋混凝土压重段。拱肋预应力束采用15φs15.2mm钢绞线，抗拉标准强度fpk=1860MPa，采用一端张拉，一端埋锚，张拉端张拉控制应力为0.75fpk=1395MPa。
3.2 吊杆
吊杆采用φ7mm镀锌钢丝成品吊杆，外包热挤聚乙烯防护，吊杆两端采用冷铸镦头锚固体系分别锚于拱肋及行车道横梁，拱肋端为张拉端，行车道横梁端为固定端。全桥共20对吊杆，采用等间距平行垂直布置的平面索形式，间距为4.0m。在吊杆设计中，边吊杆的设计尤为重要。从已建成的多座同类型桥梁来看，后期出现的问题大多集中在边吊杆上，因此本次设计对边吊杆采用了以下措施：①适当加大行车道纵梁尺寸。通过加大纵梁尺寸，提高纵梁刚度，极大的改善了边吊杆的受力性能。经计算，边吊杆在最不利荷载组合作用下，安全系数为3.8，且其应力变幅值仅为185MPa。②采用带球铰装置的新型吊杆，使吊杆能适应温度变化下桥面系纵向位移，从而减小短吊杆因桥面纵向位移而产生的附加力，提高了结构的安全性。
3.3系杆及纵梁
系杆设置在横桥向两侧钢筋混凝土纵梁内，为无粘结预应力束即体外索，主桥共计2根系杆。每侧系杆采用6束型号为PES15TU1-27经过环氧喷涂及单根热挤PE防护的钢绞线成品索，采用两端张拉，每束张拉力为2000kN。系杆两端采用HVMXG.T15-27可换式系杆锚具锚固在边拱肋端部，方便以后更换。通过调整系杆索力，用以平衡主边拱水平推力的差值，从而抵消墩台水平推力，以适应桥位处软土地基地质条件。
纵梁采用钢筋混凝土结构，矩形截面，截面宽0.7m，截面高1.2m。纵梁在中跨拱肋与系杆交接处断开，并设置一道8cm的变形缝。
3.4横梁及行车道板
行车道横梁采用预应力混凝土结构。横梁纵桥向间距按4.0m布置。横桥向横梁全宽15.6m，两吊点间距离14.4m。横梁横断面采用T型截面，截面高度1.2m~1.33m，肋宽0.4m，预制翼板宽2.5m。横梁预制吊装后，横梁与横梁间通过1.5m宽行车道板现浇段连接。行车道板为钢筋混凝土结构，板厚22cm。
3.5桥面系
主桥桥面铺装采用8cm厚C40钢筋混凝土调平层，上铺7cm厚沥青混凝土桥面层。行车道两侧设置钢筋混凝土墙式护栏，护栏宽50cm。主桥共设4道伸缩缝，主桥两端及拱、梁交接处各设一道。
3.6下部结构
主桥下部中间两主墩采用分离式拱座-承台实体结构。拱座高1.8m，横桥向作成圆端头；基础为群桩基础，桩基直径1.5m，均为钻孔灌注桩，桩顶配钢筋混凝土承台，承台顺桥向和横桥向宽均为10.5m，承台高2.5m。分离承台间采用钢筋混凝土系梁相连，系梁截面宽4m，高 2.5m。主桥下部两边墩为交接墩，采用单排3柱桩柱式结构，立柱直径1.4m，桩基直径1.5m，均为钻孔灌注桩。
4 结构分析
4.1结构静力分析
4.1.1计算模型及计算参数
主桥结构纵向分析采用平面杆系有限元桥梁结构计算程序进行计算。计算模型采用主桥上、下部结构（即拱肋-系杆-桩基-土抗力）联合作用的整体计算图式。拱肋取单片拱肋按无铰拱计算；纵向柔性系杆按体外索计入；桩侧土抗力按“m法”换算成支撑弹簧刚度，桩基础视为弹性地基中的梁单元结构。计算根据结构特点全桥共划分346个单元，其中桥面行车道梁元为134个，支承元为98个。计算图示见图4。
根据施工工序，计算分了8个施工阶段和1个使用阶段模拟主桥施工过程和成桥的使用状态，全面分析了主桥整体受力情况。一期恒载为结构自重；二期恒载为桥面铺装及防撞护栏重量。汽车活载按公路Ⅱ级车道荷载考虑，横向分布系数按杠杆法计算，汽车活载冲击系数采用结构基频进行计算。温度效应按整体温变±25℃计算，并按规范计入梯度温度引起的效应。吊杆与主拱肋及行车道纵梁间日照温差按±15℃计算；纵向系杆与主拱肋及行车道纵梁间日照温差按±15℃计算。基础不均匀沉降量按1cm计，采取单墩或隔墩形式，共计5组不均匀沉降。
4.1.2结构静力主要计算结果
主跨钢筋混凝土拱肋承载能力极限状态基本组合最大轴力为18260kN，小于截面承载力设计值28390kN，拱肋强度满足要求。正常使用极限状态短期效应组合并考虑长期效应影响下，主拱肋截面最大裂缝宽度为0.13mm，满足规范要求。
边跨预应力混凝土拱肋承载能力极限状态基本组合最大轴力为17090kN，小于截面承载力设计值26570kN，拱肋强度满足要求。正常使用极限状态下短期效应组合截面最小正应力为1.0MPa，均大于0，满足全预应力混凝土构件要求；截面最大正应力为15.8MPa，满足规范要求。
吊杆正常使用阶段弹性组合时的最大拉应力为413MPa，安全系数为3.8；系杆正常使用阶段弹性组合时的最大拉应力为642MPa，安全系数为2.9，均满足规范要求。
4.2 稳定分析
对于中承式拱桥，由于没有拱上联合作用，因此拱肋的稳定性验算非常重要。风撑的设计既要保证主拱的横向稳定，又要尽量简化构造，增加行车视觉上的舒适感，并方便施工。因此本桥在设计时，主拱在桥面以上仅设置4道“一字”风撑，横向是比较简洁的。
主桥稳定性分析采用空间有限元分析软件进行计算。计算模型按结构构件的空间布置进行模拟，拱肋、纵梁及横梁等构件采用空间梁单元，吊杆及系杆采用拉索单元。对于行车道板，将其刚度与质量等效分配到纵梁及横梁上。结构稳定分析计算结果表明成桥状态主桥的结构稳定安全系数均大于4，满足规范要求。
5 结束语
该大桥主桥采用“飞鸟式”系杆拱，设计新颖，视线通透，外观轻盈、优美。主拱肋采用钢筋混凝土结构，与钢管混凝土拱肋比，造价低，施工工艺简单，同时省去了实际使用中钢管拱肋的维护问题，真正的实现了美观与适用、经济的完美统一。最后，希望本桥的设计与建造能为同类型桥梁提供宝贵的经验。
参考文献：
[1]邵旭东.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]李国豪.桥梁结构稳定与震动[M].北京：人民交通出版社，2001.
