跨引江河桥系杆拱设计

姚建锋 于晓磊

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

1 项目概况

1.1 工程背景

泰州引江河位于江苏省泰州市与扬州市交界处，南起长江，北与新通扬运河相连，全长24km，河底宽80m，河底高程-3m～-3.5m，是一条集引水、排涝、航运等多目标、多功能的综合利用河道。引江河大桥位于泰州市高港区，跨越引江河，河口较宽，约170m，河道顺直规整，船只较多，现状为Ⅲ级航道，净空60×7m，通航水位2.819m。

本桥在江广高速公路两侧采用分离式路基进行扩建，新桥平行于老桥与老桥净距3.5m，拟建左右幅扩宽桥与航道夹角79°。 扩宽左右幅桥平面均位于直线上，单幅桥全宽13.25m。 扩宽桥梁和原桥采用相同的结构形式，上部结构主桥采用系杆拱桥，引桥采用预应力砼简支T 梁，为加大终点侧燃气管道的施工安全距离，适当加大终点侧引桥跨径，跨径组合为：(30+30+30+40)m+72.6 m +(40.08+31+31+31)m，全桥三联，桥梁全长342.96m。桥墩为圆柱墩，工字型承台，桥台为桩柱式台，桩基为钻孔灌注桩基础。 主桥桥型立面示意见下图1。

图1 桥型立面图

1.2 技术标准

(1)汽车荷载等级：新建桥涵采用公路-Ⅰ级。

(2)单幅桥面净宽：净-12.25m，单幅桥梁全宽13.25m(分离式路基)。

(3)设计洪水频率：大桥1/100。

(4)地震动峰值加速度：地震峰值加速度为0.10g，对应于基本地震烈度7 度区，桥梁抗震设防措施按8 度。

(5)坐标系：1954 年北京坐标系。

(6)高程系：1985 国家高程基准。

(7)环境类别：Ⅰ类。

2 结构选择

2.1 上部结构

主桥上部结构全长为72.6m 下承式钢管混凝土系杆拱。本桥拱轴线采用二次抛物线，拱轴线方程为：y=4fx(Lx)/ L2 ，其中：矢跨比f/L=1/5，计算跨径L=70m，矢高f=14m。 主跨拱肋间距为14.65m，采用1.7m 高哑铃型钢管砼截面，钢管外径700mm， 壁厚14mm，钢管及缀板内填充C40 微膨胀砼。 拱肋横向设置一字型风撑3 道，K 撑2道，风撑采用钢管φ450mm，壁厚10mm，断面形式均为哑铃型双圆钢管断面。

系杆采用预应力砼箱形断面， 跨中高度为1.8m，宽1.4m， 顶板、 底板和腹板厚均为0.30m， 支点高度为2.95m，宽1.55m 的矩形断面。 中横梁采用C50 预应力混凝土，间距4.8m，预制吊装，与系杆采用现浇湿接头相连，其高度变化范围为115～141.5cm，肋宽0.7m，全桥共设13道。 行车道板为25cm 厚预制板，顶面浇筑10cm 整体化钢筋砼面层。端横梁为预应力砼箱形梁，其高度变化范围为125～151.5cm，宽2.65m，与拱脚一起现浇施工，全桥共设两道。 单副桥设置26 根吊杆， 其采用PESFD7-55 索体，外套管采用φ23.5cm 钢管，壁厚1cm。 引桥T 梁根据新部颁通用图修改，30m、31mT 梁梁高采用2m，40mT 梁梁高采用2.5m。 下部结构采用柱式墩，起终点桥台采用桩柱式台， 台后采用轻质泡沫土填筑。 本桥为少支架施工，在系杆内设置劲性骨架进行施工。

2.2 主桥下部结构

主桥下部采用柱式墩， 盖梁宽4.0m， 下接两根φ2.3m 圆柱墩，墩柱横桥向间距9.75m，承台高2.5m。 单个承台下采用双排共4 根φ1.5m 钻孔灌注桩。

根据 《江苏省江都至广陵高速公路泰州引江河大桥扩建工程防洪评价报告》，主桥承台埋于河床下，并对桥位上下游50m 范围内河底岸坡进行防护。

2.3 附属结构

(1)护栏

桥梁外侧采用SS 级钢筋混凝土墙式护栏。

(2)伸缩装置

采用D80 、D160 型钢组合伸缩缝。

(3)桥面排水

在护栏内侧设置直排式泄水孔； 全桥采用集中收集的方式，引排至路基的排水沟中。

(4)支座

主桥采用JQZ(Ⅱ)球形钢支座，引桥T 梁采用GYZ和GJZ 板式橡胶支座。

(5)桥头搭板

桥头搭板长8m，搭板横向根据行车道分块。

3 结构计算

3.1 计算软件

主桥上部结构采用主要采用midas 进行计算分析，上部结构划分为454 个单元，根据施工程序分为18 个施工阶段。

3.2 计算参数选取

(1)结构安全等级：一级。

(2)混凝土材料。

C50 混凝土，设计强度fcd=22.4MPa，ftd=1.83MPa；混凝土容重γ=26kN/m3；弹性模量Ec=3.45×104MPa。

C40 混凝土，设计强度fcd=18.4MPa，ftd=1.65MPa；混凝土容重γ=26kN/m3；弹性模量Ec=3.25×104MPa。

(3)预应力钢束采用φS15.2 规格，面积Ay=139mm2，钢绞线标准强度fpk=1860MPa， 设计强度fpd=1260MPa，弹性模量Ey=1.95×105MPa，张拉控制应力系杆采用σcon=1339.2MPa，横梁采用σcon=1395MPa，松弛率2.5%，金属波纹管孔道摩擦系数μ=0.25， 管道偏差影响系数k=0.0015，一端锚具变形及回缩值均为6mm。

(4)二期恒载：桥面板、桥面铺装及防撞护栏按实际重量作用在横梁上。

(5)活载：公路-Ⅰ级，汽车荷载按两车道计算。

(6)混凝土收缩、徐变：本验算考虑3650 天的混凝土收缩徐变，相对湿度为0.75。

(7)温度作用：系统温度按整体升温25℃，整体降温-25℃；非线性温度取值：升温梯度T1=5℃、T2=0℃；降温梯度T1=-5℃、T2=0℃。

3.3 施工步骤

(1)完成下构施工。在岸上拼装拱肋钢管、横向风撑及系杆劲性骨架，焊接成整体，安装吊杆外套钢管，整体吊装运至桥位处。

(2)安装主墩支座，将拱肋及劲性骨架吊装就位，临时固定于支座上。

(3)安装端横梁及拱脚处钢筋、模板，现浇拱脚及端横梁砼。 待端横梁混凝土达到设计强度后第一次张拉端横梁预应力。

(4)填充拱肋下钢管混凝土，养护待其强度达到设计强度后， 第一次张拉系杆预应力。 填充拱肋上钢管混凝土，养护待其强度达到设计强度后，第二次张拉系杆预应力。 填充拱肋缀板混凝土并养护。

(5)在劲性骨架上安装系杆模板，绑扎钢筋，浇筑系杆混凝土。 待混凝土达到设计强度后第三次张拉系杆预应力束，拆除系杆模板。 第一次张拉吊杆。 第一次张拉吊杆 张拉 次序 为：4 号、5 号、3 号、6 号、2 号、7 号、1号。 安装已完成第一次预应力张拉的预制中横梁，浇注横梁湿接头， 待其达到设计强度的90%后第二次张拉中横梁预应力钢束。第四次张拉系杆预应力。安装行车道板， 行车道板湿接头混凝土强度达到设计强度的90%以后第二次张拉端横梁预应力及第三次张拉中横梁预应力。

(6)现浇桥面整体化10cm 混凝土。 第二次张拉吊杆预应力，顺序同第5 步。安装护栏，铺装桥面沥青砼，安装其他附属结构。

3.4 计算结果分析

建立的空间模型如图2 所示。

图2 空间模型

系杆上、下缘应力图见图3、图4。

计算结果：正应力上缘最小1.03MPa 大于0，满足全预应力混凝土设计。

计算结果：正应力下缘最小1.1 MPa 大于0，满足全预应力混凝土设计。

强度图如图5 所示。

从以上结果看，强度和应力均满足受力要求。

吊索拉力图如图6 所示。

计算结果：根据静力计算结果，吊杆内最大拉力为984.4kN，安全系数＝3535/984.4＝3.6＞3，满足规范要求。

图3 系杆上缘应力图

图4 系杆下缘应力图

图5 强度图

图6 吊索拉力图

图7 整体吊装图

4 成桥稳定性分析

成桥稳定分析考虑结构自重、 二期恒载、 预应力效应、吊杆力、汽车荷载等。

失稳模态1：

一阶模态，稳定系数为4.8，如图8 所示。

失稳模态2：

二阶模态，稳定系数为7.9，如图9 所示。

失稳模态3：

三阶模态，稳定系数为10.9，如图10 所示。

图8 一阶模态

图9 二阶模态

图10 三阶模态

从以上结果看，稳定性满足规范要求。

5 结论

(1)本桥为拼宽桥，受道路纵断面、地形、河道通航等影响，对桥梁结构形式和施工条件提出了很大的要求，通过方案比选，结构采用下承式钢管混凝土系杆拱，同时与老桥结构相互匹配。

(2)通过对施工过程中的各种工况进行模拟，劲性骨架强度、砼应力及强度、吊索拉力均能满足规范要求。

(3)本桥施工减少了像以往工程项目水中设置桥墩的施工方案，减少了对桥下通航的影响，为以后类似工程提供良好的借鉴作用。