某大跨钢管混凝土拱桥设计

彭益华，黎栋家，毛立敏

1.广西财经学院，广西 南宁 530007；2.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029

1 引言

钢管混凝土拱桥这种桥型利用先前吊装架设的钢管作为后续灌注混凝土的支架，节省了施工支架，便于施工，发挥了钢与混凝土两种材料的优势，受力合理、跨越能力大，因此在全国得到了广泛应用，据统计，全国跨径大于50m 的钢管混凝土拱桥超过了400 座［1］，本文结合高速公路某钢管混凝土拱桥的设计，探讨了其设计要点。

2 总体设计

某高速公路工程需要跨越航道等级为Ⅰ级航道（通航净宽不小于220m，通航净高不小于13m）的河流，该河道在桥位处呈U 型，两岸岩石裸露，经地质勘察为中风化灰岩，岩石较硬，饱和单轴抗压强度标准值达35.0MPa，适合作为有推力拱桥的拱座基础。桥位处水流湍急，最好一跨过江，初步估计跨径应在300m以上，目前已建成的跨径300m以上的拱桥大多为钢管混凝土拱或钢箱拱，而在经济性指标方面，钢管混凝土拱桥比钢箱拱桥具有明显优势，造价更低，因此，结合行洪、通航及地形情况，拟定桥型方案为钢管混凝土拱桥，拟定计算跨径为320m，主桥长336m。桥梁立面布置如图1 所示。

2.1 拱肋

拱肋拱轴线采用悬链线，矢高80m，矢跨比1/4，拱轴系数m＝1.167。钢管混凝土拱肋采用变截面四管桁式结构，各节段拱肋宽度保持不变，拱顶与拱脚均为3m，拱顶处的截面高7.0m，拱脚处的截面高12.0m。上、下弦管直径1.2m，从拱脚至拱顶根据受力需要采用22～32mm 的壁厚，上、下弦管内通过泵送顶升灌注C55 微膨胀混凝土，以降低混凝土收缩徐变的影响；拱肋腹杆采用直径610mm，壁厚16mm 的无缝钢管；拱肋横缀管采用直径813mm，壁厚20mm 的无缝钢管。单根拱肋分24 个节段加工制作及安装，节段最大重量100t。

图1 某大跨中承式钢管混凝土拱桥立面布置（单位：m）

2.2 拱肋横撑

拱肋横桥向中心间距为23.9m，上下游拱肋横向联系采用X 撑横联［2］，单幅桥共设24 道X 撑横联。横联钢管采用直径0.92m 无缝钢管，钢管壁厚16mm。

2.3 吊杆

全桥吊杆形式为单吊杆，吊杆顺桥向标准间距13.4m，横桥向间距23.9m，共设20 对吊杆，吊杆为镀锌平行钢丝成品索，弹性模量为1.9×105MPa，平行钢丝抗拉强度1670MPa，吊杆设计安全系数K＞3.0。

2.4 桥面系

桥面系采用连续的钢格子梁体系，钢格子梁由钢纵梁与钢横梁组成，格子梁上为14cm 厚混凝土板并与格子梁形成钢-混组合桥面板。主横梁顺桥向标准间距13.4m，截面为工字型，端部梁高1.4m，跨中梁高2.2m，底板厚34mm，顶板厚16mm；次横梁顺桥向标准间距2.68m，工字形截面，底板厚18mm，顶板厚16mm；纵梁共设5道，工字形截面，边纵梁底板厚20mm，顶板厚16mm，其他纵梁底板厚18mm，顶板厚16mm。桥面沥青混凝土铺装厚7cm。

2.5 主墩及拱座

拱座基础形式为扩大基础，采用爆破明挖施工后满槽浇筑C30 混凝土，明挖时尽量保持拱座基础背面垂直开挖。

2.6 交界墩

为了进一步增大拱座处恒载，以有利于拱座基础的抗滑移，主引桥交界墩设置于拱座基础上。

2.7 伸缩缝

伸缩缝采用单元式预应力多向变位伸缩缝，交界墩设置一道YLF240 伸缩缝。

2.8 支座

主桥拱上立柱支座采用防落梁抗震钢支座、球形钢支座，交界墩处采用盆式橡胶支座。

3 静力计算

3.1 恒载

按拱肋钢管及混凝土、缀板、缀管钢材、钢横梁钢纵梁及桥面板等实际重量计算，主桥钢管中混凝土容重按25.0kN/m3计算，主桥其他混凝土容重按26kN/m3进行计算，下部结构混凝土容重按26kN/m3计，钢材密度按7850kg/m3计算。钢横梁及钢纵梁内加劲构件以荷载形式来补充，二期恒载采用荷载形式输入。

3.2 活载

汽车荷载公路—Ⅰ级，单幅桥汽车活载按4 车道布置，进行空间布载，横向折减系数0.67；纵向折减系数0.97，横向偏载系数1.15。冲击系数及汽车制动力按《公路桥涵设计通用规范》相关规定取值。考虑风荷载、温度作用、基础变位等的影响［3］。

桥梁结构整体静力分析采用Midas/Civil 进行空间结构分析。吊杆采用桁架单元模拟。拱肋、腹杆、横撑采用梁单元模拟，主梁采用梁单元与板单元组合模式，边界条件按实际模拟，全桥空间有限元模型如图2 所示。

图2 桥梁空间有限元模型

3.3 静力计算结果

持久状况中应力结果按标准组合，持久状况标准组合拱肋钢管最大应力为-197.54MPa（应力以拉为正，压为负），应力符合规范要求。应力包络为-143.58MPa～ 108.94MPa，应力符合规范要求。持久状况标准组合吊杆最大应力为361.04MPa，应力符合规范要求。

可见，前文拟定的拱肋、横联、吊杆等桥梁构件的构造尺寸是合理的。

4 结语

钢管混凝土拱桥应结合地形地质以及行洪通航条件进行总体设计，以确定跨径、桥面高度等，并应结合静力分析结果确定构造尺寸，以满足规范要求。