鄂尔多斯市某下承式连续梁拱组合结构设计

丁 勇

0 引言

拱与梁的组合结构形成新的结构体系，使拱与梁在外荷载的作用下，其受力性能都得到较好的发挥，同时拱梁的组合呈现美观的造型又兼具较好的技术经济指标。因其结构轻巧且可以做成外部无推力，也适用于软弱地基上的建设。该结构受力复杂，为多次超静定结构，为较好把握该结构的受力特点，现对鄂尔多斯市某下承式连续梁拱组合体系桥进行研究分析。

1 工程概况

该桥所跨河流河口宽90 m，桥梁中心线的法线与规划河道顺交4°，桥梁按与道路正交布置。该桥跨径组合为:28 m+58 m+28 m=114 m，桥宽50.6 m，双向八车道，采用下承式连续梁拱组合体系。

1.1 主要设计标准

1)道路等级:一级公路;2)环境类别:Ⅱ级;3)荷载标准:公路—Ⅰ级;4)计算行车速度:80 km/h;5)桥梁宽度:0.3 m(人行道栏杆)+4.5 m(人行道)+15.8 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)+8.4 m(中央分隔带)+0.5 m(防撞护栏)+15.8 m(机动车道)+4.5 m(人行道)+0.3 m(人行道栏杆)=50.6 m;6)抗震设防标准:拟建场地类别为Ⅱ类，工程区域地震动峰值加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度，本桥属于B类桥梁，因而可只进行抗震措施设计;7)桥面纵坡:双向1.8%;8)桥面横坡:双向2%(机动车道)，－1%(人行道);9)台后填土高度:6 m左右。

1.2 桥梁上部结构

上部结构采用下承式连续梁拱组合体系。

主梁采用3跨变截面连续箱梁，总长为114 m，跨径组合为28 m+58 m+28 m。桥梁采用大悬臂单箱四室断面，箱体按直线布置，箱梁悬臂采用变长度以满足道路平面曲线线型。梁底曲线为二次抛物线，箱梁跨中截面梁高1.7 m，箱梁根部截面梁高3.2 m。箱梁顶宽50.6 m，底宽40.6 m，悬臂均长5.0 m。箱梁顶板厚0.25 m ～0.4 m，腹板厚度0.8 m ～1.2 m，底板厚0.25 m ～0.7 m。

主拱采用平行缀板桁架式拱，主桁高2.5 m，桁宽为变截面，由根部1.848 m变至拱顶5 m，节间水平投影长为2.5 m。拱轴线半径为41.042 m，拱轴理论矢高12 m，矢跨比1/4.83，拱肋桁架上下弦拱轴线采用圆曲线。上弦杆采用D60×1.2cm钢管混凝土，下弦杆采用D80×1.6cm钢管混凝土，腹杆采用45×35×1.6矩形钢管。

吊杆间距5 m，共计10根，采用高强钢丝成品吊杆，吊杆钢丝采用φ7mm双层镀锌高强钢丝，每根编束数为85丝，吊杆外热挤压黑色(内)和彩色(外)HDPE(两层)。吊杆采用吊杆专用锚具(设计时参考OVMLZM7-85型锚具，可采用符合国家质量标准的其他同类型产品)。由于构造限制采用上端锚固，下端为张拉端。

桥梁总体布置图见图1，图2。

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

图2 桥梁横断面布置图（单位：cm）

1.3 主要施工步骤

主桥施工按照“先梁后拱”的原则实施，全桥施工过程如下:

1)桩基施工→承台施工→墩身台身施工→主梁下地基处理→搭设主梁的现浇支架→支架预压;

2)现浇主梁→张拉纵向钢束;

3)张拉横向桥面钢束;

4)主梁上搭设支架，安装拱肋临时连接座→拱肋工地预拼装→主梁上在拱肋范围内搭设支架;

5)分三个节段架设主梁拱肋→调整拱轴线→拱肋节段间连接焊接完成→焊接拱脚连接→安装全部吊杆;

6)拆除拱肋支架→同时泵送两根上弦钢管混凝土→上弦钢管中混凝土强度达到设计强度80%→泵送下弦钢管中混凝土→下弦混凝土达到设计强度;

7)张拉吊杆，每根吊杆分批张拉至70 t→拆除主梁支架，主桥全部落架。

2 结构分析

2.1 静力分析

结构分析计算程序采用MIDAS/Civil进行全桥结构分析，将主梁用梁格法划分，并采用梁单元照实模拟拱肋和连梁，采用索单元模拟吊杆，建立全桥杆系有限元模型。逐阶段计算结构的内力、应力和挠度，在运营阶段按结构重力、汽车荷载、预应力、混凝土收缩徐变、温度作用、基础变位作用对结构进行计算分析。计算模型见图3。

图3 全桥模型

仅加载自重、二期恒载及拉索力时，桥梁模型中跨边纵梁跨中和吊点横梁吊点处弯矩较大。经过分析，因为本桥桥面较宽，拱肋对跨中的加强作用在边纵梁处的影响较小。在配预应力时，考虑此因素，在中跨边纵梁处设置比中纵梁更多的预应力束，并在吊点横梁处设置预应力束。

将预应力束计入模型后计算，主梁纵梁上下截面基本上都受压，最大压应力为13.5 MPa，吊点横梁上下截面除吊点处有小于1 MPa的尖刺拉应力，其余都受压，最大压应力5.5 MPa。三条拱肋的最大应力为75 MPa，连梁最大应力为67 MPa。

由计算分析得:中跨较大的剪力主要由拱压力的竖向分力抵抗，而边跨较小的剪力可由边跨梁承受。拱肋对中跨有加强作用，中跨与边跨内力的相互影响大为减弱，使非通航边跨的跨度减小。

2.2 稳定分析

对于下承式连续梁拱组合体系桥而言，拱肋为受压构件。桥面上又有预应力作用。因此在设计中采用有限元程序对桥梁的结构稳定性进行了分析。

经过分析，本桥的稳定性系数为12.3，说明结构的稳定储备是足够的。结构第一阶振型见图4。

图4 桥梁第一阶振型

3 结语

1)下承式连续梁拱组合桥是一种造型美观、适用跨径范围大、经济指标良好且稳定的桥梁。在预应力技术迅速发展的今天，因这种桥梁在构造、施工方面的改善，使其比相同跨径的其他桥梁具有更加明显的竞争力。2)一般连续梁桥的中支点截面是一个受力控制截面，但下承连续拱梁组合桥的拱并不加强此截面，而是通过对中跨的加强使内力重新分布，并将荷载由拱直接传递到支点，充分发挥了拱和梁的优点。

［1］ 李国平.连续拱梁组合桥的性能与特点［J］.桥梁建设，1999(1):10-13.

［2］ 金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］ 蒋彦征，李国平.预应力混凝土梁拱组合桥受力分析［J］.华东公路，1999(6):73-74.