超大跨径上承式钢管混凝土拱桥设计

武电坤，杨兴，冯鹏程

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 ， 湖北 武汉 430056)

随着中国逐步由桥梁大国迈向桥梁强国，拱桥的设计施工技术相应得到较大发展，其中钢管混凝土拱桥为体现其发展的突出桥型之一。在省国道等公路工程中，自2005年建成主跨460 m的巫山长江大桥以来，于2013年又建成530 m跨的合江长江一桥，到目前在建的575 m跨广西平南三桥，均表明桥梁规模在不断扩大、建设技术全面提升。技术方面，也提出了多项创新，如贵州总溪河大桥和香火岩特大桥，主拱圈弦管与腹杆、斜撑采用新型的“栓焊结合”节点，主弦管内壁通过设置栓钉来增强钢-混结构组合效应；广西平南三桥将地连墙基础应用于拱桥，解决了地质情况较差地段拱座基础承载力问题。但是，上承式钢管混凝土拱桥规模自2009年支井河大桥跨度达430 m后，多年一直没有突破。大小井特大桥的建设，总结了近几年类似结构设计和装配化应用经验，结合桥址处的地形、地质条件，推动了此类桥型的发展。

1 工程概况

大小井特大桥为平罗高速公路一项控制性工程。该桥横跨坝王河，地面自然标高为425～650 m，地形呈典型的扩口式“U”字形，谷顶宽约610 m，两侧岸坡按缓-陡-缓的趋势分布。适应此地形的桥型较多，综合地质条件、经济性、美观性及风险评估等多方面对比分析，主桥确定为上承式钢管混凝土拱桥方案。桥跨布置分为7联，由9×40 m(T梁)+15×31.6 m(桥面系组合梁)+16×40 m(T梁)组成，其中主桥计算跨径为450 m，桥型布置图见图1。

图1 桥型总体布置图(单位：m)

桥位属亚热带季风湿润气候区，季节较明确，全年气温平均为17 ℃，极端最低、最高气温为-7.7、38.1 ℃。跨越河流为珠江流域西江干流红水河段支流，常水位为428 m，计算洪水位为433.13 m。通过电磁波CT等物探技术，查明两岸拱座处岩体局部软硬不均，裂隙发育程度不一，需对基座的变形严加控制，其中罗甸侧拱座处局部存在溶洞，但有填充物且相对独立。

主要技术标准：汽车荷载采用公路-Ⅰ级；桥宽24.5 m，按双向四车道设计，主桥桥面系和引桥分幅考虑；桥址处地震动峰值加速度为0.05g，结构抗震设防烈度7度。

2 结构设计

JTG/T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》建议，钢管混凝土拱桥跨径大于300 m时建议采用变截面桁架结构，经统计拱肋断面大多采用“四肢”格构形截面，部分采用“六肢”格构形截面。对比两种拱肋截面，发现相同的主拱圈宽度和应力控制下，后一种截面并不能有效提高结构稳定性，反而增加了杆件数量，因此该桥选择了计算跨径为450 m的等宽变高双四肢式拱肋桁架拱，拱轴线采用悬链线，拱轴线系数m=1.55，矢高h=100 m，矢跨比为1/4.5。

2.1 主拱圈

主拱圈共分14节段，其中1～4节段弦杆采用Q390D钢材，其余均为Q345D钢材。拱顶到拱脚截面高度由8 m变化至14 m，拱肋中心宽4 m，两肋之间设置竖联和平联，横桥向外钢管中心总宽20 m(图2)。拱肋间横联形式对主拱圈桁架结构的稳定性、抗扭性能都有较强的敏感性。该桥主拱圈跨宽比接近21，横向稳定性是首要解决的问题。根据文献[9]的研究，上、下弦管设置26道米字形和4道K字形平联，并在立柱位置增设竖向连接杆件，基本形成了桁架箱形结构。单片拱肋内部纵向每隔7.9 m设置了腹杆、横撑和K字形剪力撑，大大提高了主拱圈刚度。

图2 主拱圈标准断面(单位：cm)

由底至顶，拱肋上弦管壁厚为35-28-32 mm，下弦管壁厚为35-32-28 mm，外径均为1 360 mm。为减小横桥向的风荷载效应，拱肋腹杆全采用钢管，尺寸分别为(φ900×24) mm、(φ700×24) mm和(φ700×18) mm；横撑采用(φ700×16) mm钢管，平联横撑采用(φ900×20) mm、(φ700×16) mm或(φ600×16) mm钢管。而竖联和拱肋剪力撑为I500 mm×532 mm的型钢，以减少现场焊接节点。弦管、与铰相连的斜腹杆及销轴钢管内灌注C60自密实微膨胀混凝土。为使钢-混组合结构更好地协同受力，降低管内壁局部脱空的风险，在腹杆相连位置的弦管内布置了剪力钉，并在立柱对应的位置增设了开孔加劲钢板，以利于应力扩散，增强钢管和混凝土的黏结效果。

该桥另一个技术难点为杆件尺寸大，受山区运输条件的限制，需要将桁架节段拆分为散件进场，为避免因管件相连采用的相关焊接带来的现场施焊条件差、定位精度低、节点数量多、质量较难保障等问题，设计采用短接头连接(图3)和栓焊节点方式解决。

图3 短接头连接示意图

2.2 立柱和帽梁

拱上建筑是桥面荷载的主要传力结构，其设计是主拱圈受力合理与否的关键。立柱和盖梁是拱上建筑重要组成部分，目前中国大跨上承式钢管混凝土拱桥主要采用矩形截面钢箱结构、平斜缀杆格构柱配钢箱盖梁或钢筋混凝土盖梁。由于该桥立柱高度为83.742～6.357 m，相差较大，边立柱稳定性问题尤其重要，经计算发现同质量同外形尺寸下，圆管式格构柱的稳定性要明显优于钢箱结构，且可以大幅度降低风荷载效应。根据文献[10]等的研究，并考虑分段制作、加工、吊装的便利性，该桥立柱选定为圆管式平缀杆格构柱排架结构(图4)。依据结构受力需求，立柱柱肢采用两种钢管规格(即φ700 mm×16 mm和φ600 mm×16 mm)，其顺桥向中心距取2.2、2.0或1.6 m，同时并排的立柱之间设置必要的X形桁架横撑增强稳定性，并在边三处高立柱部分灌注自密实微膨胀混凝土形成组合结构。

图4 拱上建筑构造图(单位：cm)

帽梁采用空心矩形薄壁等截面钢箱结构，腹板直接焊接到相应的立柱钢管壁上，顶板对应立柱顶围焊连接，与立柱形成一体化整体结构，对应主拱肋处底板检修口，受力明确，更加便于安装和后期维护。帽梁截面高1.8 m，横向尺寸与立柱中心距相对应。

2.3 桥面系

相比标准化混凝土T梁和小箱梁，钢-混组合梁自重要减轻约30%，双主梁形更加节约钢材，该桥桥面系最终采用了跨径31.6 m。其中钢纵梁设计高2.1 m，单幅横向间距6.5 m，上翼缘板厚度为30或45 mm，宽700 mm；下翼缘板厚度为30、40或50 mm，宽800 mm。沿桥向每3.95 m间距设一处工字形截面横梁，为减少汽车冲击效应对伸缩缝的破坏，在该处设置为较强的混凝土横梁。

桥面板宽12.24 m，悬臂长2.87 m，钢梁顶处厚45 cm，跨中厚30 cm，全宽预制，与防撞护栏座一起浇注形成整体，通过设置预留暗槽，同钢纵梁采用均布剪力钉连接保障共同受力，规避了集束式钉群受力不均问题，减少了空中施工难度。桥面板纵桥向按普通钢筋混凝土结构设计，但为防止负弯矩区开裂，支点处板采用先张工艺添加部分预应力钢绞线；横桥向按45 cm间距布置φs15.2-3钢绞线，可达到B类预应力混凝土构件要求。

2.4 拱座部位

主、引桥交界墩置于拱座上，高分别为102.023、104.867 m，综合考虑刚度和强度要求，选择为“门”式框架箱形变截面空心薄壁墩，单肢横桥向宽6 m，顺桥向自顶部4 m宽向下按照1∶100坡比变宽，帽梁采用普通钢筋混凝土结构。

拱座结构尺寸为30 m×28.7 m×20.649 m，配台阶状基底的扩大基础，要求嵌入稳定、完整的中风化岩层。由于该区存在地质溶蚀以及软弱的地质夹层，需对地基进行加固处理，因此在两岸拱座处均配置了8根直径3.5 m的基桩。拱座与其基础采用C40和C30两种标号混凝土。拱肋弦杆、铰轴连接腹杆在施工、运营阶段容易引起应力集中问题，因此在与拱座连接处增设了外包混凝土，且拱肋上下弦杆横向增加了缀板-混凝土组合结构连接(图5)。

图5 拱座构造图(单位：cm)

3 结构分析

利用计算软件Midas/Civil 2012建立大小井特大桥的三维空间模型，按实际结构尺寸将其主拱圈、拱上立柱、帽梁及桥面系纵横梁等主要受力结构离散为空间有限元杆件。依据该桥在施工阶段以及成桥状态下的不同荷载组合对其进行静力、动力及稳定性分析。并通过有限元软件Ansys对立柱与弦杆相接位置、拱座和桥面板吊装进行局部分析。

3.1 全桥计算

边界条件：桥面系钢纵梁和帽梁通过弹性连接模拟约束关系，刚度由板式橡胶支座相关参数确定。

施工顺序：拱肋吊装至合龙，灌注自密实微膨胀混凝土，拆除扣索并完成立柱和帽梁的安装，最后施工桥面系及护栏等，计算时计入混凝土收缩、徐变效应。

静力计算荷载包括恒载、收缩徐变、汽车活载、温度作用、风荷载和基础不均匀沉降，其中钢护栏挡风高度参阅欧洲规范(BS EN1991-1-4:2005)8.3.1条款取值，其他荷载均按照中国相关现行规范执行。荷载组合按规范要求的最不利效应考虑，主要结果如下：

(1) 在施工过程中，拱肋未出现拉应力，灌注混凝土前拱肋最大压应力为-68.8 MPa；成桥收缩徐变10年后，混凝土最大压应力为-10.42 MPa，弦管最大压应力虽达到-246.7 MPa，但满足相关要求，其他杆件应力水平也均在合理范围内。

(2) 在汽车活载作用下，该桥的主拱圈正负挠度绝对值之和为122 mm，远小于L/1 000的限值。

(3) 在考虑稳定折减、脱空、钢管初始应力等影响因素后，主拱圈上下弦杆单管和组合截面承载力均满足规范要求，且最小富余4.48%；桥面系按照组合前后内力的叠加，可满足强度要求。

(4) 标准值组合下，主拱弦杆(指采用Q390D钢部分)最大压应力为-270 MPa，内部灌注的混凝土最大压应力-19.3 MPa；竖联、平联的最大压应力为-118 MPa，最大拉应力为68.5 MPa；腹杆最大压应力为-152 MPa，最大拉应力为127 MPa；桥面系钢梁最大压应力为-137 MPa；立柱的最大压应力为-175 MPa。各项指标均满足规范要求。

(5) 采用弹性稳定性特征值分析方法计算该桥稳定性，其第1阶模态表现为立柱纵向失稳，稳定系数为5.73；第2阶模态为主拱对称侧向失稳，稳定系数为6.95，大桥的稳定性满足规范要求。

在计入交界墩影响的前提下开展该桥的抗震计算，计算采用反应谱和时程分析两种方法，依据JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》相关规定进行。动力分析结果显示：该桥第1阶模态周期为5.72 s，结构有很好的自身耗能能力。在E1地震动作用下，交界墩、主拱肋承载能力满足结构不受损伤，可继续使用的抗震性能目标；E2纵向地震动作用下，主拱肋及其他构件仍处于弹性状态，交界墩墩底虽进入塑性状态，但处于可修复状态。

3.2 局部计算

3.2.1 拱座

两岸拱座地质条件比较特殊，存在软弱夹层，结合地质勘察资料提供的岩土参数，利用Ansys通用软件建立拱座实体模型，进行局部分析。

分析结果表明：增加桩基础切实减少了周围岩土的应力水平和位移量，岩土最大竖向压缩变形为2.2 mm；最大竖向压应力为-660 kPa。而拱座与拱肋相接触位置最大主压应力为-6.0 MPa；扩大基础最大主压应力为-4.4 MPa；桩基最大剪应力为0.5 MPa，主拉应力为0.7 MPa，主压应力为-3.3 MPa，可满足地基承载力和结构强度要求。

3.2.2 柱脚

柱脚弦杆、腹杆、立柱及横撑交汇的位置，受力比较复杂。通过实体模型分析发现，柱脚通过设置外包钢筋混凝土，有效分散了集中应力，弦杆最大Mises应力为-214 MPa；腹杆局部点最大Mises应力为-239 MPa；立柱最大Mises应力为-135 MPa，均在合理范围内。

3.2.3 桥面板

暗槽的存在对桥面板截面在吊装过程中有很大的削弱，需要合理设置吊点和确定到边纵向的距离。经计算，推荐8吊点方案，吊点布置在距板端纵向距离1.5 m，横向倒角处。这时板的最大变形值仅1.6 mm，主拉应力不超过1.8 MPa，槽口处连通的普通钢筋应力最大为1.44 MPa，均满足要求。

4 施工特点

该桥采用常用的无支架斜拉扣挂缆索吊装系统施工，主拱圈拱肋桁架、立柱及桥面系等分为多个节段安装，体现出几个特点：① 山区缆索吊装质量更大，最大重量约160 t；② 装配化程度更高，钢盖梁整体对接安装，桥面板全宽预制；③ 为保障安全，在拱肋悬拼至第8节段(共14节段)时，拱脚临时铰封固，后施工段通过扣索和智能监控达到控制标高和内力的目标。

5 结论

大小井特大桥计算跨径达450 m，是继支井河大桥在上承式钢管混凝土拱桥类型中又一创举，大小井特大桥于2019年6月建成。该桥整体轻柔美观，与附近大山的巍峨相得益彰，有较好的景观效果。结构设计方面可总结以下几方面供参考：

(1) 对于等宽钢管混凝土拱桥，加强横向连接可有效提高结构稳定性，若地质条件允许建议适当加大矢跨比，增强主拱圈轴向刚度，减小立柱高度。

(2) 合理利用平缀杆格构形立柱的用钢指标及与混凝土的组合效应，采用一体化帽梁的设计理念，既可以减轻拱上建筑的重量也可满足稳定性的要求。

(3) 建议大跨拱桥桥面系采用少主梁钢-混组合梁，可有效减轻结构重量和降低造价，方便提高装配化程度。