中承式钢管砼拱桥设计

张翔， 张立兴

(1.陕西省交通规划设计研究院有限公司， 陕西 西安 710065；2.长安大学 旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，陕西 西安 710064)

钢管砼拱桥外形优美且较传统圬工拱桥具有更大的跨越能力。随着跨径的增大和公路等级的提高，桁式拱肋因其较好的纵、横向抗弯刚度，在结构设计中得到青睐。然而拱肋本身的稳定性和强健性仅是结构强健性的一部分。中国钢管砼拱桥发展过程中，因强健性重视不够产生了一系列不良后果。GB 50923—2013《钢管混凝土拱桥技术规范》要求钢管砼拱桥的吊杆与系杆索必须具有可检查、可更换的构造与措施，中承式和下承式拱桥的悬吊桥面系应采用整体性结构，以横梁受力为主的悬吊桥面系必须设置加劲纵梁，并具有一根横梁两端相对应的吊索失效后不落梁的能力。可见桥面系的整体化、连续化、轻型化是拱桥的一个发展趋势。该文以广西南宁市武鸣河大桥为工程背景，研究中承式钢管砼拱桥设计。

1 工程概况

武鸣河大桥位于广西南宁市武鸣区，为天峨—北海公路平果至南宁段高速公路的重点控制工程，跨径布置为1-140 m(中承式钢管砼拱桥)，桥梁全长立面布置见图1。

图1 武鸣河大桥立面布置(单位：标高为m，其他为cm)

桥位处与河流流向呈右偏120°斜交，最大桥高18.5 m。桥址区河道较弯曲，河岸规则，水面宽度约65 m，水流速度平缓。武鸣河流域属南亚热带湿润气候区，桥址处设计最高通航水位82.13 m，最低通航水位75.76 m，设计洪水位89.05 m。

2 主桥结构设计

2.1 总体设计

国内近年已建类似跨径钢管砼拱桥的截面形式和尺寸见表1。通过结构计算，确定该桥设计方案如下：主桥计算跨径135 m，采用悬链线作为拱轴线，拱轴系数取1.543，计算矢高为32.143 m，矢跨比1/4.2。拱圈分左右两幅拱肋，单幅拱肋为四肢桁式钢管砼截面，横桥向拱肋相互平行，两幅拱肋间中心距19.35 m。

表1 拱肋截面统计

2.2 拱肋

拱肋采用等截面设计，断面高3.2 m，横向宽1.8 m。单幅拱肋由4根φ750×16 mm钢管组成，拱肋上下弦钢管由腹杆相连，腹杆采用φ402×12 mm钢管。横桥向弦管之间通过横联连接，平联采用φ500×12 mm钢管，其中吊杆处平联采用φ500×16 mm钢管(见图2)。主管内均灌注C50自密实微膨胀砼，拱肋砼从拱脚到拱顶一次性连续泵送顶升，并采用真空辅助灌浆技术，抽走主弦管内的空气和砼当中的气泡，减少管内砼脱黏现象。为降低拱肋吊装施工难度，保证工程质量，拱肋节段拼接处采用双腹杆设计。

图2 拱肋一般构造图(单位：mm)

2.3 拱脚

主拱与拱座的连接是拱桥的关键部位。该桥拱脚段上下弦钢管插入拱座预埋，预埋管与主拱节段采用焊接对接接头。主管预埋深度1.5 m，预埋钢管底部设承压板，下设4层钢筋网片。在预埋段钢管周边设螺旋钢筋加强锚固，承压板与钢管外侧设置加劲板(见图3)。

图3 拱脚预埋件(单位：mm)

主拱施工中，为便于主拱圈在吊装中调整标高和线形，在主拱肋合龙前，拱脚为临时铰连接，临时铰采用转轴铰。主拱肋合龙完成后，浇筑拱座预留槽砼，封固拱脚临时铰。

2.4 拱上横梁和横撑

全桥共设6道K字撑，2道拱上横梁。横撑间距为20 m，横撑平联采用φ600×16和φ500×16 mm钢管，竖撑采用φ299×12 mm钢管。拱上横梁采用三角桁架形式(见图4)，拱上横梁平联采用φ500×20和φ500×16 mm钢管，并在上平联内灌注C50砼，保证拱上横梁局部承压稳定。该处腹杆采用φ500×20 mm钢管，并灌注C50砼，加强主拱肋与拱上横梁相交处刚度。在主拱肋施工中，拱上横梁充当横撑作用，成桥后传递桥面系及车辆荷载。

图4 拱上横梁设计(单位：mm)

2.5 桥面系设计

中国中承式、下承式钢管砼拱桥通常采用悬吊式桥面系，根据结构形式分为三类，其构造、受力特点见表2。

表2 悬吊式桥面系分类

第三类桥面系横梁之间无加劲纵梁，一旦断索，极易发生横梁桥面板落梁现象，强健性较差。随着对桥面系强健性的深入研究，当采用以横梁受力为主的桥面系时，多采用第二类桥面系。第一类桥面系为整体性结构，近年来逐渐被广泛应用。该桥桥面系采用钢-砼组合梁、组合桥面结构，组合梁为钢格子梁，主、次纵横梁均采用工字形截面(见图5)。格子梁上满铺8 mm厚钢板，通过焊接在钢板上的PBL剪力键与砼锚固连接，形成总厚度19 cm的桥面板，再铺装10 cm厚沥青砼，在水泥砼和沥青砼之间设置防水层。桥面板结构见图6、图7。

图5 桥面系格子梁的一般构造

图6 桥面板的横向布置

图7 桥面板的纵向布置

2.6 基础设计

根据钻探地质资料，该桥拱座基础位于强风化灰岩上，地基基本承载力为1 500～2 000 kPa，岩层坡面平缓，且小桩号侧存在地裂缝。综合考虑地形、地质情况，拱座基础采用扩大基础，由基础与基底的摩擦力平衡主拱肋的侧向水平推力，拱座基础设计成台阶式，与岩层紧密贴合。基础尺寸横向23.15 m，纵向长18 m，高13 m。

3 静力分析

3.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil建立三维杆系计算模型(见图8)，模型共1 274个节点、3 590个单元。钢管砼、格子梁采用联合截面模拟，吊杆采用桁架单元模拟，其余单元采用梁单元模拟。

图8 桥梁有限元模型

3.2 特征值计算

根据JTG/T D65-06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》，拱肋所形成的结构体系需验算其稳定性。该桥稳定性验算结果见表3，满足规范要求。

表3 桥梁稳定性验算结果

3.3 拱肋承载能力验算

承载能力极限状态下拱肋控制截面内力及抗荷比见表4、表5。拱肋截面最小抗荷比产生于拱顶，为1.49，满足规范要求。

表4 拱肋截面内力验算结果

表5 拱肋截面抗荷比

3.4 拱肋应力验算

分别计算持久状况荷载组合下拱肋控制截面应力，计算结果见表6。

表6 持久状况下拱肋弦杆应力值 MPa

根据JTG/T D65-06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》，拱肋采用Q345qC钢材，厚度16 mm Q345qC钢材的屈服强度fy为345 MPa。钢管应力均小于0.8fy=276 MPa，砼应力小于(K1/K2)fck=33.23 MPa，满足规范要求。

3.5 挠度验算

主拱、桥面系在短期效应组合下消除结构自重产生的长期挠度见图9、图10。主拱在短期效应组合下消除结构自重产生的长期挠度为0.118 m

图9 拱肋挠度曲线

图10 桥面系挠度曲线

4 结语

武鸣河大桥主拱计算跨径135 m，主拱采用悬链线形，拱肋采用四肢桁式断面，拱肋截面径向高3.2 m、横向宽1.8 m。拱上横梁采用三角桁式断面，桥面系采用钢-砼组合梁、组合板结构。主拱肋采用双腹杆设计，桥面系采用强健性较好的整体结构，计算结果满足规范要求，结构受力可靠。桥梁结构设计合理，可为同类桥梁设计、计算提供参考。