某单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥设计分析

陆文超 张俊海

摘 要：单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥由于其较新颖的结构形式、较经济的造价而成为现代城市桥梁建设最受青睐的结构形式之一。文章结合实际工程地质，通过合理的结构设计，考虑按承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计组合并选取最不利效应，通过详尽的结构计算，验算得出结构各项技术指标均满足规范要求，结构整体和局部构件安全可靠，该桥的成功实施可为同类桥梁设计计算和施工提供范例。

关键词：钢管混凝土；系杆拱桥；承载能力极限状态；正常使用极限状态；桥梁设计

1 工程概况

依托工程位于浙江某市，横跨排塘港，女儿桥老桥为板梁结构，桥宽7.5m，桥梁配跨为（13+15+13）m，始建于1995年。根据河道改建后的情况，老桥不能满足今后使用要求，且现桥位处为规划Ⅵ级航道，桥梁通航孔净高不小于4.5m，最高通航水位2.16m。由于老桥阻水严重、跨径小，按河道改建及航道通航要求，需重建新桥。

女儿桥跨径组成为（20+57.6+20）m，桥宽：0.5m（护栏）+7.5m（行车道）+0.5m（护栏）=8.5m，引桥为预应力混凝土简支空心板，主桥为，主桥为单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，主拱拱肋计算跨径56m，矢高11.2m，矢跨比1/5，拱轴线呈二次抛物线变化，主桥下部构造为主墩采用实体墩，柱式台，钻孔灌注桩基础。新建依托工程属于现代城市桥梁，对景观要求较高，对其总体设计时应综合考虑水文、地质等因素，在满足车与人通行的基本要求下，力求达到景观和谐共生、结构经济安全、施工方便快捷的目标。

2 主要技术指标

道路等级：公路-Ⅱ级。桥梁全宽：0.5m（护栏）+7.5m（行车道）+0.5m（护栏）=8.5m。桥梁设计基准期：100年。设计安全等级：一级。

耐久性设计环境类别：Ⅰ类。设计洪水频率：1/100洪水頻率。航道等级：Ⅵ级。抗震等级：桥位处地震动峰值加速度为：0.05g，相当于基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ度地震烈度设防。

3 主桥结构设计

3.1 拱肋设计

主拱拱肋采用单圆钢管混凝土，钢管外径1.0m，壁厚14mm，内设辅助钢筋加强。拱肋间设置道风撑，风撑外径0.6m，壁厚14mm。拱肋钢材均采用Q345C钢，壁厚全长不变以便于施工。

拱肋架设采用分段起吊就位，逐段拼装，并采用在连结点处搭设支架连结点的方法施工。施工时随时注意拱轴线的调整。拱肋混凝土施工采用泵送顶升浇灌法，即在钢管接近地面的适当位置安装一个带闸门的进料支管，直接与泵车的输送管道相连，由泵车将混凝土连续不断地自下而上灌入钢管，C50混凝土灌注应以拱顶对称中心，由拱脚至拱顶连续浇注。

3.2 吊杆设计

每根拱肋上设置吊杆9根，间距均为5.5m。吊杆采用Φs15.2-7环氧钢绞线，标准强度fpk=1860MPa。吊杆施工时首先将吊杆两端的螺母旋出，将起吊设备的牵引绳由待穿吊杆的拱上预留孔放下，穿过球形垫块及球形螺母，再将吊牵引绳的连接头与吊杆上端锚头内螺纹连接，并将锚头从拱肋上的预埋孔管牵引出预埋垫板，继续上提至下端锚头装入下预埋管，放下吊杆，装上球形垫板并旋上球形螺母。在下端预埋管内应灌入OVM.PZ型防腐材料作为填充材料，务必将锚头处全部充满，下端防水罩安装要求密封不渗水。

3.3 主桥桥面系结构设计

主桥桥面系结构部分主要由系梁，中横梁和强大的端横梁组成。两根纵向系梁将一组横向中端横梁串连在一起形成一平面网格系承担着端横梁与系梁交点处拱脚的水平推力，将桥面系恒载及活载通过与系梁和中横梁结点处连接的吊杆传至拱肋，同时约束吊杆下端的位移，为拱肋提供非保向力作用以增强其横向稳定性。

（1）系梁。系梁采用预应力混凝土实心断面，其断面尺寸为高1.0m，宽1.4m。在每根系梁内沿形心轴对称布置8束标准强度fpk=1860MPa的预应力钢束。在河中搭设临时满堂支架，超载预压后，现浇系梁并在系梁外侧埋设过桥管道角钢支架。待各部分系梁达到设计强度90%后，在端横梁后端张拉系梁内纵向永久预应力索，张拉系梁内N1、N2号钢束，等第一次张拉吊杆钢束结束，张拉系梁内N3、N4号钢束。张拉工序：0→初应力→σcon（持荷两分钟锚固）。（2）中横梁。中横梁采用预应力混凝土T形梁，与现浇桥面板相接，通过桥面纵向预应力钢束与桥面板结成整体，断面高0.7m～0.79m。梁全长8.5m，顶宽3.1m，底宽0.7m。计算跨径（横向两吊杆间距离）为9.9m。内设2束标准强度fpk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高强度预应力钢绞线，采用OVM系列锚具锚固。中横梁采用预制法施工，待混凝土达到设计强度的90%后，张拉中横梁内N1号钢束并及时压浆。待第一次吊杆张拉结束，再张拉中横梁中的N2钢束。待桥面板混凝土达到设计强度的90%后，张拉桥面板预应力钢束并及时压浆封锚。（3）端横梁。端横梁为钢筋混凝土箱形梁，断面高1.5m，宽2.05m，最小壁厚0.3m，计算跨径（横向两拱肋间距离）为8.5m。内设16束标准强度fpk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高强度预应力钢绞线，采用OVM系列锚具锚固。端横梁在桥墩施工完成后于墩顶上立模现浇，浇筑时预留横梁拱座槽口及系梁预应力束张拉槽口。端横梁混凝土达到设计强度95%时方可进行拱座内拱肋钢管的安装，浇筑拱座混凝土，布置拱端锚固块钢筋、纵向预应力束管道，浇筑拱端锚固块混凝土。现浇桥面板施工应注意伸缩缝的位置和泄水管的位置，桥面安装应对称进行，以河道中心线对称轴，由两端往桥中心依次浇筑。

4 结构计算分析

4.1 有限元模型建立

为准确分析计算结构真实受力状况，选用空间有限元软件Midas Civil对于本结构进行设计计算和分析，并考虑施工阶段效应，将结构中的栏杆、水管、桥面铺装等附属结构在计算中以均布荷载代替。在有限元模型中采用梁单元模拟主拱、风撑、桥面板和横梁；采用桁架单元模拟吊杆，模型节点共计593个，单元共计900个。整个模型的边界条件处理是将系梁梁端进行约束，如图1所示。

图1 拱桥有限元整体模型

4.2 计算荷载及组合

本次分析计算参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），主要考虑按承载能力极限状态设计时作用效应的组合和按正常使用极限状态设计时作用效应的组合并选取最不利效应，主要选取的荷载组合如表1所示。

表1 各荷载组合工况的荷载组成

4.3 主拱成桥阶段分析计算结果

4.3.1 主拱承载能力极限状态分析结果。根据有限元软件的分析计算结果，拱桥的主要构件主拱肋、吊杆的验算结果如下。

（1）主拱肋。拱桥主拱肋的应力分布如图2所示，主拱肋的最大压应力为222.8MPa，出现在拱肋两侧拱脚处。构件的整体应力小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面規定Q345C钢材的强度设计值315MPa，主拱肋的强度满足要求。

图2 主拱肋应力分布图（单位：MPa）

（2）吊杆。拱桥吊杆的应力分布如图3所示，吊杆的最大拉应力为502.7MPa，出现在拱桥中间的吊杆处。吊杆的整体应力小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面规定Strand1860钢材的强度设计值1260MPa，主拱吊杆的强度要求。

图3 吊杆应力分布图（单位：MPa）

4.3.2 正常使用极限状态分析结果。根据有限元软件的分析计算结果，拱桥的各主要构件计算结果如下。

（1）主拱肋及风撑钢管。拱桥主拱肋钢管的应力见图4，钢管最大压应力为182.5MPa，出现在拱脚处的主拱肋钢管；钢管的最小压应力为165.4MPa，出现在拱肋中部。主拱肋钢管拱脚处部分单元的应力小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面规定Q345C钢材的0.8倍强度设计值252MPa，满足要求。

图4 主拱肋钢管应力（单位：MPa）

（2）主拱肋及风撑混凝土。拱桥主拱肋混凝土的应力见图5，混凝土最大压应力为18.0MPa，出现在拱脚处。混凝土的整体压应力小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）里面规定的0.8倍轴心抗压强度标准值19.4MPa，满足要求。

图5 主拱肋混凝土应力（单位：MPa）

（3）吊杆。作用短期效应组合作用下，拱桥吊杆的应力见图6，最大拉应力为418.7MPa，出现在拱桥中间的吊杆处；钢管的最小拉应力为366Pa，出现在两侧的吊杆处。拱桥吊杆的应力小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面规定strand1860钢材的0.5倍强度设计值630MPa，满足要求。

图6 吊杆应力（单位：MPa）

作用长期荷载组合作用下拱桥吊杆的应力见图7，最大拉应力为419.8MPa，出现在拱桥中间的吊杆处；钢管的最小拉应力为366.7Pa，出现在两侧的吊杆处。拱桥吊杆的应力小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面规定strand1860钢材的0.4倍强度设计值504MPa，满足要求。

图7 吊杆应力（单位：MPa）

（4）桥面板。拱桥桥面板的挠度和应力见图8。荷载短期效应组合并考虑荷载长期效应影响下，桥面板最大挠度为27.05mm，小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第6.5.3规定的L/650=88.62mm，满足要求。由图可知，在短期荷载作用下，桥面板最大应力为-0.9MPa，未出现拉应力。在标准荷载作用下，桥面板最大压应力为12.2MPa，小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第7.1.5规定的0.5fck=16.2MPa，符合规范要求。

（b）短期荷载作用下桥面板应力（单位：MPa）

图8 短期荷载作用下桥面板挠度与应力图

（5）系梁与横梁。拱桥横梁在短期效应组合及标准组合作用作用下的应力分布如图9、图10，混凝土最大应力为-3.5MPa，出现在拱桥两侧的横梁系梁交接处，横梁未出现拉应力。满足全预应力混凝土构件不出现拉应力的要求且整体压应力小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）里面规定的0.5倍轴心抗压强度标准值16.2MPa，满足要求。在标准组合作用下，最大压应力为16.2MPa，满足规范要求。

图9 短期组合下横梁应力（单位：MPa）

图10 标准组合下横梁应力（单位：MPa）

（6）拱桥的挠度。拱桥的整体挠度见图11，最大的负挠度（向下）为34.3mm，出现在拱桥中间；最大的正挠度（向上）为13.8mm，出现在拱桥的两端。正负挠度最大绝对值之和为48.1mm，小于《钢管混凝土拱桥技术规程》（DBJ/T13-136-2011）里面规定的最大挠度88.62mm，挠度计算结果满足规范要求。

（a）拱桥正向挠度（单位：mm）

（b）拱桥负向挠度（单位：mm）

图11 拱桥挠度计算结果

5 结束语

依托工程主桥为单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，其作为现代城市桥梁结构形式较新颖，文章结合实际工程地质，通过合理的结构布置，考虑按承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计组合并选取最不利效应，通过详尽的结构计算，验算得出结构各项技术指标均满足规范要求，结构整体和局部构件安全可靠，综合考虑结构合理性、经济性和景观性，得出该桥梁应用于城市景观要求较高的中等跨度桥梁是可行的，该桥的成功实施可为同类桥梁设计计算和施工提供范例。

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作者简介：陆文超（1976），男，工学硕士、高级工程师，国家一级注册结构工程师、注册咨询工程师，主要从事复杂桥梁结构设计与科研工作。