130 m跨钢管混凝土拱桥设计

张科乾

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近几十年，我国桥梁建设发展迅速，钢管混凝土拱桥由于受力性能好、跨越能力大、建筑结构高度低、造价经济等优点，在大跨桥梁中被广泛采用[1-2]。本文以湖州环漾大桥为背景，介绍其主要结构设计及结构计算，可为类似桥梁的设计提供参考和借鉴。

环漾大桥位于湖州康山分区，是环漾大桥跨越妙湖线的桥梁，道路等级为城市次干路，设计车速为50 km/h，采用双向六机两非的车道规模。主桥采用下承式钢管混凝土拱桥，一跨跨越妙湖线，引桥采用简支变连续小箱梁（见图1、图2）。

图1 立面布置图（单位：cm）

主要技术标准如下：

（1）汽车荷载：城—A级；

图2 标准横断面（单位：cm）

（2）主桥平面位于直线段，道路中心线法向与航道中心线夹角约41.8°；

（3）主桥立面位于竖曲线R=1 500 m的凸曲线上，前坡、后坡为±3.0%；

（4）通航要求：Ⅴ级航道，通航净空：45 m（净宽）×5 m（净高），由于航道要求，桥梁需采用先拱后梁的无支架施工；

（5）抗震设计：地震动峰值加速度：0.05g，地震基本烈度：6度。

1 结构设计

1.1 总体布置

主桥采用下承式钢管混凝土拱桥，拱桥跨径130 m（计算跨径为126 m），吊索间距5 m，采用纵向双吊索体系。系梁采用预应力混凝土矩形箱梁；吊索横梁采用预应力混凝土T形横梁；拱脚横梁采用预应力混凝土箱形横梁；主墩采用墙式墩。基础采用钻孔灌注桩基础，嵌岩桩基础。主桥采用先拱后梁施工；系梁及横梁采用预制吊装施工。

1.2 拱肋设计

钢管混凝土拱桥拱肋的形式有单管、哑铃形管和桁式拱肋几种形式，考虑结构的经济性，不同拱肋截面形式的钢管混凝土适用范围也不同（见表 1）。

表1 各种拱肋截面形式的跨径适用范围一览表

环漾大桥跨径130 m，单管截面形式的跨越能力已不能满足要求；相比于桁式拱肋，哑铃形拱肋杆件较少，涂装面积小，养护涂装费用较低，从简化养护的角度，拱肋采用哑铃形拱肋。两榀平行的拱肋间距为24 m，矢高25.25 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线，拱脚外包C55混凝土，拱肋插入混凝土拱脚约3.5 m。

哑铃型截面总高3 200 mm，上下钢管中心距为1800mm，钢管外径为1400mm，钢管壁厚22～25mm；两腹板间距为900 mm，腹板厚度为16 mm，腹板沿竖向设置两道纵向加劲板；腹腔内吊索侧设置HM588×300 H型钢加劲钢，间断设置横隔板和腹板竖向加劲肋；钢管及腹板采用Q345qC钢材，上下钢管填充混凝土采用C50自密实补偿收缩混凝土。考虑到腹腔内灌注混凝土容易造成爆管事故，腹板内仅拱脚至第一根吊索范围内填充混凝土，其它位置不填充，这样既免去了浇注腹腔内混凝土的工序，又从根本上避免爆管事故的发生，这种新型的哑铃形拱肋在最近新建桥梁中得到了广泛的运用（见图3）。

图3 拱肋标准横断面图（单位：cm）

全桥拱肋横向共布置五道风撑，其中拱肋中心采用一字撑，两侧采用K撑，纵向风撑间距为10 m，风撑均采用空心钢管。一字撑主管外径为900 mm，壁厚16 mm，支管外径600 mm，壁厚12 mm；K撑主管外径为1 400 mm，壁厚22 mm，支管外径为900 mm，壁厚16 mm。

1.3 系梁、横梁设计

系梁采用预应力混凝土矩形箱梁，梁宽2 m，高2.1 m，拱脚处加高至2.7 m，顶板厚0.65 m，底板厚0.35 m，腹板厚0.35 m，在吊索位置2 m范围内及拱脚处采用实心断面。除拱脚部分采用支架现浇外，余均采用节段预制，现浇湿接头的方式连成整体，其中跨中预制阶段为4 m，其余预制节段长为9 m，节段间设置1 m现浇段（见图4）。

图4 系梁标准横断面图（单位：cm）

吊索横梁包含肋间部分和挑臂部分，均采用节段预制，现浇湿接头的方式连成整体。肋间横梁总长22m，跨中梁高2m，采用T形横梁，顶板宽3 m，厚0.28 m，腹板厚度由跨中0.4 m渐变到支点0.5 m，过渡段长度2.0 m；挑臂横梁长5.8 m，采用T形截面，顶宽3 m，梁高由悬臂根部的1.55 m渐变至端部0.85 m，顶板厚0.28 m，腹板厚度0.4 m（见图5）。

图5 吊索横梁跨中横断面图（单位：cm）

拱脚横梁包含肋间部分和挑臂部分，肋间部分长度为22 m，单侧挑臂部分为5.8 m，采用支架现浇方式施工。跨中梁高2.8 m，肋间横梁采用单箱双室截面，顶宽6.44 m，底宽4.94 m，顶板厚40 cm，底板、腹板厚度由跨中40 cm渐变到支点50 cm，过渡段长度2.1 m；挑臂横梁长5.8 m，采用π形截面，顶宽6.44 m（见图6）。

图6 拱脚横梁跨中横断面图（单位：cm）

1.4 桥面板

桥面板有预制简支板和现浇整体板。预制简支板直接搁置在相邻横梁上，板与板之间铰接或刚接，同时用桥面铺装连成整体，这种桥面板施工方便，但整体性较差，特别是端横梁位置，在重车作用下，由于板刚度小，转动大，支座容易脱落；整体现浇板与主梁的纵、横梁体系形成整体，不仅承受局部车轮荷载，同时参与纵、横梁整体受力，整体性好。因此，该工程采用整体现浇板的桥面板形式。

桥面板厚度0.28 m，由预制桥面板与现浇桥面板两部分组成。预制桥面板与吊索横梁一起预制，中间再浇筑2.0 m宽的现浇桥面板，通过横梁预留钢筋与横梁连接。

1.5 吊索及锚固设计

该工程桥面较宽（37.6 m），吊索承受荷载较大，并且考虑运营阶段吊索更换的简便性，采用纵向双吊索形式。

吊索采用柔性吊索，为便于换索，同时减小单根拉索局部受力，其布置形式为纵向双吊索，同一吊点双吊索间距为0.6 m，吊点间距为5 m。为减小吊索导管对拱肋截面的削弱，采用尺寸较小的整体挤压成束锚具。为便于检查，将锚头外露于拱肋顶部，并用防护罩密封。

梁上锚固设计借鉴斜拉桥中销铰式锚固结构特点，在系梁施工时将锚固结构预埋入混凝土梁内，利用连接件及底部的端锚板来实现钢结构与混凝土之间的传力（见图7）。这种外露梁顶的锚固方式给养护和检修带来了很大的便利，吊索与耳孔采用销铰式连接，释放了吊索端部转动自由度，可减小可变荷载作用下吊索的附加弯曲应力，避免了防护套在反复荷载作用下的损坏。

图7 组合锚拉板结构构造示意图

2 结构分析

2.1 纵向整体计算

主桥整体结构静力计算采用Midas/Civil空间杆系有限元方法进行计算，建立包括拱肋、系梁、吊索的全桥有限元模型。其中，系梁、拱肋采用空间梁单元，吊索、临时系索采用只受拉桁架索单元。有限元计算模型如图8所示。

图8 整体计算模型

钢管混凝土拱肋截面采用Midas自带组合截面模拟，通过不同阶段截面的组合实现管内混凝土依次参与受力。

计算荷载考虑了结构自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、活载、风荷载、温度荷载及施工阶段临时荷载等。纵向计算对以下方面进行了验算，结果表明，受力满足规范要求[3-4]：

（1）系梁承载能力、持久状态应力及挠度；

（2）吊索承载能力及疲劳应力幅；

（3）拱肋承载能力、钢管应力、混凝土应力、挠度验算；

（4）风撑强度验算；

（5）短暂工况施工阶段及换索工况验算；（6）断索偶然工况验算；（7）弹性屈曲稳定验算。

2.2 横梁验算

由于系梁自身的抗扭刚度及系梁、横梁组成的框架效应，横梁在吊索位置处于弹性支承状态，介于简支边界和固结边界之间，为保证其受力安全，横梁计算考虑了简支和固结两种边界形式，计算模型如图9所示。

图9 横梁计算模型

横梁计算考虑了截面的有效分布宽度，模拟了横梁简支变连续的架设过程，汽车活载按杠杆法考虑。计算表明，横梁在两种边界条件下均能满足受力要求。

2.3 锚拉板系统局部计算

吊索梁上锚固采用了全新的组合锚拉板系统，结构主要由四部分组成，锚拉板、加劲板、端承板及连接件。锚拉板沿竖向插入混凝土结构内部，锚拉板上露出混凝土结构部分设置耳孔用于连接拉索；端承板水平焊接在锚拉板底部，通过板面承压来承担部分拉力；加劲板对称焊接在锚拉板两侧，增强锚拉板的侧向刚度。加劲板与锚拉板上都有开孔并贯穿钢筋形成开孔板连接件，通过连接件的抗剪作用抵抗拉索拉拔力。其构造如图10所示。

图10 组合锚拉板结构构造图（单位：cm）

为保证结构的安全性，对锚拉板组合锚固结构进行全面的力学性能分析。分析了各种布置形式下的连接件剪力分配、钢结构应力状态、混凝土应力状态及钢混结合位置位移。

采用大型通用有限元软件ANSYS建立节段局部模型（见图11）。为减小边界效应的影响，模型长度考虑在5 m长的锚固节段两侧各建入5 m系梁节段，对混凝土系梁、锚拉板钢板及开孔板连接件分别采用solid45实体单元、shell63板壳单元和弹簧单元combin14进行模拟；钢板与混凝土系梁间接触采用conta173与targe170单向标准接触，不考虑钢-混之间的摩擦效应。

图11 有限元模型

在基本组合设计荷载下，吊索索力为1 540 kN。索力的施加通过对锚拉板销轴孔上半圆弧施加的均布压力模拟，系梁等效荷载中的轴力通过在梁端施加均布轴向荷载模拟，等效弯矩通过在梁端上、下缘施加等大反向的荷载模拟。通过两组梁端荷载的施加调整锚固位置内力，使其于整体模型中系梁内力一致。

计算表明锚拉板开孔板连接件、加劲板开孔板连接件及承压板荷载分担比例如表2所列。

表2 荷载分配比例表

锚拉板开孔板连接件剪力分布呈现由上至下逐渐减小的趋势，上面第1排的边上开孔板连接件竖向剪力值最大，为73 kN，根据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》[5]计算得到单个开孔板极限承载能力为298 kN，安全系数分别为4.08，连接件安全储备较大。锚拉板开孔板连接件剪力分布如图12所示（图中横坐标为列序号，其中“0表示为中间列”，“-”表示左侧，下同）。

图12 锚拉板开孔板连接件剪力分布图

加劲板开孔板连接件剪力分布呈现由上至下逐渐减小的趋势，横向分布为边列受力最大，最大值出现在上面第1排边列，为28 kN。加劲板开孔板连接件剪力分布如图13所示。

图13 加劲板开孔板连接件剪力分布图

设计荷载作用下，钢结构整体受力状态如图14所示。

图14 钢结构整体应力状态示意图（单位：Pa）

锚拉板应力由上至下逐渐减小，除销铰加强板区域、加劲板与承压板接触的局部区域外，钢结构最大应力不超过80 MPa。

设计荷载下（对应整体模型中上缘应力最大工况），从系梁中心纵、横剖面正应力分布（见图15、图16）可以看出：系梁出现不大于0.7 MPa的拉应力，出现在防水平台位置，其它区域基本均处于压应力状态。系梁横剖面压应力大于15 MPa的区域为横梁钢束作用产生的应力集中效应。

图15 系梁纵剖面整体正应力示意图（单位：Pa）

综上所述，组合锚拉板结构受力安全可靠。

3 桥梁施工

主桥采用先拱后梁施工，具体施工顺序如下：

（1）在主墩处搭设支架，现浇系梁现浇段、拱脚及拱脚横梁。

图16 系梁横剖面整体正应力示意图（单位：Pa）

（2）采用单台600 t浮吊单片吊装拱肋架设安装（吊装重量260 t），安装钢管拱之间的风撑。

（3）分批灌注拱肋钢管混凝土，先灌注下管，钢管拱内混凝土达到设计强度后灌注上管。

（4）按跨中至拱脚的顺序逐段对称吊装安装系梁，浇筑湿接缝，张拉纵梁预应力，拆除临时系索。

（4）安装预制横梁，由于横梁预应力的张拉对系梁有面外受力效应，考虑了散装横梁安装顺序对系梁受力的影响：a.跨中至拱脚安装；b.拱脚至跨中安装；c.二分法安装，即先安装跨中横梁，再安装1/4跨横梁，逐插中安装。分析表明：按跨中至拱脚顺序安装最优，横梁面外弯矩最小，该桥施工采用了跨中至拱脚安装的顺序。

（5）现浇施工桥面系。

在施工过程中，在系梁未成型之前，采用临时系索控制拱肋受力和拱脚变位，临时系束钢绞线整束挤压型拉索，在拱肋架设、管内混凝土灌注、系梁吊装过程中张拉对应批次临时系索，控制拱脚位移在5 mm以内。

4 结语

以湖州市环漾大桥为背景，介绍钢管混凝土系杆拱桥的拱肋、系梁、横梁、吊索及其锚固系统等主要结构的设计及计算。针对吊索梁上锚固采用的创新型锚固系统-锚拉板组合结构进行了局部分析。结果表明，桥梁结构设计合理，受力可靠。最后介绍了桥梁先拱后梁的施工方案。其研究成果可为同类桥梁的设计、计算提供建议和参考。