连续梁拱组合桥梁设计关键技术对策研究

孙威

（天津城建设计院有限公司第六分公司，安徽合肥 230008）

1 项目概述

根据安徽省来安县城市总体规划，塔山路规划为城市主干路，道路宽度40m，断面布置为：22m 机动车道+2m×2m 绿化带+2m×4m 非机动车道+2m×3m 人行道。桥位处河道下口宽20m，上口宽约138.6m。

经多轮方案设计，遴选了4 个桥梁方案，并进行网上公示；公开征集意见且设置了投票功能，最终确定采用总长为125m 中承式系杆拱桥为实施方案。

后通过结构计算优化，采用3 跨自锚式系杆拱桥结构，跨度组合为20m+85m+20m。中心跨为半填充混凝土桥结构，边跨为钢筋混凝土桥（半拱）。三跨采用强大的系杆与整个机体相连，以保证整个建筑系统的安全和主跨拱脚的平衡。中跨拱肋为哑铃形钢管混凝土结构，主孔桥面装有柔性吊杆、横梁、桥面和固定扣件，以平衡主拱的方位，边跨端部固定有压紧拉杆。最大长度为20m，由2.5m 长直线段和钢筋混凝土矩形拱肋半拱组成。

本桥主体结构构造上由主拱肋、吊杆、纵横梁、桥面板、系杆、边跨等上部结构和桥台、桥墩、群桩基础等下部结构，全桥主体由这两大部分组成。

2 设计参数

（1）拱轴线参数。边跨长20m，半拱结构，同时也是系杆锚固装置，采用钢筋混凝土结构。框架端直边长2.5m，其余17.5m（水平长度），拱轴为长5.0m、长35m、矢跨比1/7 的二次抛物线。中跨采用哑铃形钢管结构，拱轴是二次抛物线，计算跨度为85m，矢量长度为21.25m，矢跨比为1/4。

（2）桥面宽度：22m 机动车道+2m×2m 绿化带+2m×3.5m 非机动车道+2m×2.25m 人行道=37.5m。

（3）设计荷载：①永久荷载，包含自重荷载以及不均匀沉降10mm 的基础变位作用。②可变载荷，主要包括汽车载荷、人群载荷、空气载荷和温度载荷等。③偶然荷载，来安县地震核心为Ⅵ度，设计时间为0.4s，基本地震加速度为0.05g，地震震级为第二组。

3 施工过程简述

满堂支架现浇边跨拱肋及密肋桥面板；利用拱脚节点型钢骨架，安装固定拱脚段，现浇拱脚锚固块，人工灌注拱脚段混凝土；安装拱肋临时支架，依次吊装拱肋；安装横撑及钢横梁。其后安装吊杆，并从拱顶向拱脚对称均衡吊装横梁。然后安装纵梁并现浇纵梁湿接缝；张拉吊杆，调整横梁顶面高程，满足成桥阶段要求。最后安装预制桥面板并实施桥面铺装、附属设施。施工过程中通过系杆的逐级张拉，将拱肋、横梁、纵梁等逐渐形成整体受力体系。

4 主拱圈、纵横梁及桥面板系统受拉措施的研究

设计和施工过程中进行了以下几方面关键技术的对策研究。

4.1 关键技术

（1）组合结构的受力状态。首先进行边跨的现浇施工，完成后释放主梁下方支撑；其次在拱座位置安装拱肋、纵梁和横梁，吊装横梁后分段安装纵梁并浇筑连接，形成整体框架受力状态，然后完成预应力的第一次张拉。全桥主要的承重结构形成了拱梁组合结构，它们承受了结构的自重及临时施工荷载。此时，全桥应力状态基本形成。

在前一步基础上，逐步实施桥面板和桥面板整体现浇层，此时全桥形成主要的桥面系承重结构。在该阶段，静载和活载处于应力状态。最后建造桥面系统，例如栏杆、沥青铺装和过桥管线，这些均作为自重载荷进行加载模拟。

（2）刚性梁和刚性拱的纵横梁系统的整体桥面受以下因素影响：①在主拉力处于受力状态下，桥面板在纵横梁之间，二次浇筑引起收缩应力。②由于拱脚的强大推力，引起桥面出现拉应力。③同时考虑桥面板在中心支点处的负弯矩效应，也导致桥面出现拉应力。以上3 种应力可能会导致桥面开裂。桥面的裂缝控制是本项目的关键技术。

4.2 对策研究

桥面板开裂解决方案：①使用微膨胀混凝土对桥面板进行两次浇筑，以在桥面板中形成预压缩应力。②在桥面板上的混凝土中添加诸如钢纤维和聚合物纤维之类的纤维状物质，以提高混凝土的抗拉强度，使桥面板上的裂缝分散并变得众多而稀薄。③在桥面板上施加预应力以形成预压缩应力，以减小混凝土的拉应力，从而防止裂缝或减小裂缝宽度的目的。④采用预压实法，在第二阶段的恒载和活载作用下或在允许范围内，使桥面板混凝土的内部拉应力为零。

经计算，在纵横梁上，预压缩的48kN/m 的均布载荷可以抵消桥面板混凝土在第二阶段的静载荷和活载荷作用下产生的拉应力。

4.3 结论

经过研究，在系杆拱桥中，通过采取合理的施工工序以及有效的工程措施，可以弥补纵横梁系统整体桥面板结构的缺陷，该方案技术上是可行的。

5 施工阶段体系转换中分阶段分批张拉柔性系杆的受力分析及结构措施与对策研究

5.1 关键技术

本桥采用3 跨自锚式系杆拱桥结构，通过安装平衡主拱方向的固定杆与整个机体相连，以保证拱的水平对齐，主跨的拱脚和整个建筑系统的安全。预应力系杆锚固于边跨端部，边跨端部设15.1m 长现浇密肋和边跨拱肋组成一个整体，共同承受和传递系杆水平力，保证桥梁安全。

本桥结构体系复杂，由主跨、边跨、桥墩（含拱脚锚固区）及系杆四大部分组成，这四部分四位一体，相互影响、相互依存，密不可分。其中系杆贯穿全桥，构成全桥的生命线。大桥施工阶段体系转换复杂，各个构件的施工顺序需制定合理计划，以保证成桥状态满足设计要求。

5.2 对策研究

系杆为平衡主拱拱脚水平推力，同时调整边跨拱肋内力而设。本桥系杆采用成品拉索，贯穿全桥，并锚固于边跨拱肋端部。系杆在全桥均为整束可调可换索式系杆。位于边跨密肋现浇段系杆设预埋管，其他部分系杆锚固钢箱内。

系杆采用整体分阶段张拉工艺，满足系杆分阶段张拉需求。考虑温度、松弛及边拱弹性压缩损失后，单根系杆永久索力约4000kN。通过迈达斯建模计算，随着自重荷载的不断增加，全桥系杆共分为四个张拉阶段。

设计阶段建立系杆力监测系统，采用数据集中采集式索力磁通量传感器技术，实现对施工期间以及运营期间的系杆索力变化监测，以减小常规系杆力测量方法的误差，监控桥梁施工及运营期间的结构安全性能。

由于主桥结构及受力十分复杂，施工阶段较多，体系转换频繁，结构受力往往会偏离理想的受力状态，依据《公路桥涵施工技术规范》，对于本桥这种跨径较大的钢结构拱桥，需由建设单位委托施工控制经验丰富的单位在施工前对结构进行全面的考虑，以主梁线型、拱肋线形及系杆力、吊杆力为主控，对拱肋、吊杆、系杆和纵横梁施工中标高、线型、偏位、梁拱应力、吊杆和系杆力等内容进行多层控制。通过制定周密的施工控制方案，指导施工的进行并提出必要的修改建议。

5.3 结论

通过系杆力的智能监测措施，施工过程中引入桥梁施工监控及成桥试验，并在运营阶段建立桥梁健康监测系统，多措并举，能够确保桥梁安全的同时达到设计的目标。同时健康监测系统可考虑与施工监控系统联合设计，施工监控期间预埋件考虑成桥后健康监测系统的长期使用要求，以节约造价。

6 在拱肋安装及钢管拱灌注混凝土全过程中局部和局部应力状态的对策研究

6.1 关键技术

（1）桥体钢管拱部分可分为4 个施工环节：①工厂制作钢管拱的管段。②将钢管拱架安装在桥面板的支架上。③拆下钢管拱的支撑。④管内混凝土应采用泵送顶升压注施工，由两拱脚至拱顶对称均衡地一次压注完成。

（2）空钢管拱肋的加工、运输、吊装和合拢，建议采用缆索吊装法施工，缆索吊的设计及安装由施工单位根据工程需要自行考虑；拱肋接头采用少支架临时固定措施。

（3）钢管混凝土泵送一次成形。需考虑拱肋高度、浇注顺序（原则上先上钢管、次下钢管、最后中间腹板，总体安排上需对称、均衡灌注）、泵送微膨胀混凝土配合比、管内混凝土填充密实度检测和质量检验等问题。进行钢管混凝土拱肋的施工全过程中，全面的安全保障也是施工进度的保障。

6.2 对策研究

（1）使用ADINA 结构分析对钢管拱灌注混凝土的全过程进行计算模拟。在浇灌混凝土的过程中，由于空心钢管拱的硬度较低，从而会出现位移较大且应变能力弱的特征。这也导致在使用空心钢管拱进行混凝土浇筑过程中，受力不均，而致使线弹性原理编译的常用程序计算出现误差。为计算的准确度得到有效保障，相关人员需掌握钢管拱施工过程中的应力和变形，并在全过程计算过程中，使用非线性程序来指导施工，通过ADINA 非线性有限元程序来计算整个灌注过程。

（2）计算精度检验。为检测计算的准确性，对基于线弹性理论的程序PRBP 的计算结果以及非线性程序ADINA 的结果和实际测量数据进行分析对比。

在ADINA 计算程序当中，可分为多个计算步骤：第一步是钢管拱落架。第二步是浇筑拱脚仓混凝土。第三步是浇注拱顶仓混凝土。第四步是倒拱腰仓混凝土。

通过实际测量结果显示：①在框架掉落时，会导致钢管拱应力减弱与位置发生偏移。②拱脚仓混凝土浇筑之后的应力也产生的变化并出现位移现象。③浇筑完成后的钢管拱应力发生变化并产生位移的情况。而PRBP 程序提供浇筑完成后钢管拱的应力也有出现变化和位置发生偏移。

6.3 研究结论

①实际测量的数据值并未超限应力，控制值一般比计算的应力的更小，并且应力比ADINA 程序的结果更加平稳、均匀。②ADINA 程序计算的结果更接近实际测量的数据值。③PRBP 程序计算出的应力是最为平稳的、均匀的。