某拱形连续梁桥的总体设计

2012-07-24廖成强

四川建筑 2012年3期

关键词：拱形梁桥合龙

廖成强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

港里路桥位于莆田市妈祖城城区，靠近内海，桥梁上跨城内规划内湖，是外部进入妈祖核心区和休闲度假区的交通要道，是妈祖城人文景观片区的轴线工程和节点工程。桥梁方案有以下几个控制点:

①桥址邻近海边，地质条件较差;

②桥跨布置有通航要求;

③需要尽量压缩引道长度，避免高填土;

④桥梁景观要求高，需要形成当地的标志性建筑并与当地“妈祖”文化有效地融合。

经过多方案比选，港里路桥(跨城内规划内湖)采用(26+48+52+48+26)m五跨预应力混凝土拱形连续梁桥方案，全幅桥宽30m，拱脚与规划内湖的常水位基本齐平。该方案宛如一群翱翔于海面上的海鸥，与内湖融为一体，是构筑物与自然的一种完美的结合，亦与新兴妈祖城朝气蓬勃的城市气息相吻合，散发出激情与活力。

图1 港里路桥效果

1 拱形连续梁桥特点

1.1 构造形式

拱形连续梁，其本质是属于连续梁体系，它是借鉴拱桥的造型，通过将变截面连续梁的根部厚度进行加高，再通过调整梁底线形，使梁底面形成一个拱形结构，其受力特性与V形支撑连续梁一致，梁底面曲线可以是悬链线、抛物线，小跨结构还可以设计为圆曲线。拱形连续梁体同普通连续梁一样，大都是按预应力混凝土设计。

拱形连续梁的矢跨比可根据构造需要调整，但一般维持在1/6～1/10之间。

连续梁支点位置可以根据造型需要设计成实腹、空腹型式。空腹式又可分为全空腹、空腹立柱式等两种，其中，空腹立柱式更具有拱桥的特征，造型稍差。根据是否设置支座，拱形连续梁的结构体系又可分为支撑体系和刚构体系。常见的拱形连续梁构造如图1～图4。

图2 实腹式拱形连续梁

图3 空腹式拱形连续梁

图4 空腹立柱式拱形连续梁

1.2 结构受力特点

实腹式拱形连续梁桥，本质就是变截面连续梁桥。如果单纯按梁单元进行分析，梁体不存在水平推(拉)力，但如果从细部分析，墩顶区域则有很大的水平拉力，其受力模型则与空腹式拱形连续梁桥一致。

空腹式拱形连续梁桥(在墩顶区域为空腹)，由于该种构造形式已经具备拱桥的特征，桥梁在荷载作用下将产生较大水平推力或拉力，该部分水平推(拉)力除通过基础分担一部分外，大部分通过设置水平预应力钢束分担，对地基的要求并不高，在软基地区也能适用。鉴于空腹式的拱形连续梁桥的受力特点，可以将其称为自锚上承式拱桥。

1.3 施工方法

拱形连续梁桥施工方法主要有满堂支架、少支架、转体施工、悬臂拼装等施工方法，根据桥址建桥条件不同、结构形式不同选用。

2 港里路桥总体设计要点

港里路桥经过多个方案比选后采用造型美观的(26+48+52+48+26)m五跨预应力混凝土空腹式拱形连续梁桥，中跨52m，跨中矢高f=7.0米，矢跨比为1/7.4。桥墩墩身(拱座)为实心截面，基础为群桩基础;桥台采用桩帽式桥台。

全桥横向全宽30.0m，左右幅分修。

2.1 主要结构设计

2.1.1 主梁(拱圈)构造

空腹区的拱脚段与实腹区的主梁段可合称为拱圈。实腹区桥面系拱圈宜采用箱形变截面，而空腹区的拱脚，由于景观需要，尽量降低截面梁高以满足全桥线形协调，同时为了满足受力需要，所以该区域梁体采用实心截面。

中跨跨径52m，空腹区长2×9.5=19m，实腹区长33m，空腹区拱脚梁高1.2m，实腹区跨中梁高1.1m，空腹区与实腹区交接处最大梁高3.7m，拱形曲线采用圆弧线(中跨圆曲线半径40m，边跨、次中跨根据跨径变化相应调整);跨中主梁横断面根据受力需要采用单箱三室截面，箱梁顶宽14.885m，底宽12.585m，两侧悬臂1.15m。

跨中主梁断面如图5。

图5 箱梁跨中断面

空腹段主梁(拱圈)按钢筋混凝土设计，主梁截面宽12.585m，截面梁高由拱梁连接处的1.6m向拱脚1.2m截面按圆弧线变化，采用实体断面。

桥面系主梁顶面均按1.5%横坡设置，底面水平设置。

2.1.2 空腹区桥面系主梁构造

国内已建的类似桥梁，空腹区桥面系箱梁构造一般都与实腹区主梁连成整体，该方案使得整个桥面系连成一个整体结构，行车舒适性较好，但同时也有以下缺点:在衔接点位置桥面系主梁刚度变化太大，且在其顶部容易产生较大的拉应力，对结构不利。所以可以将空腹区桥面系主梁与实腹区主梁设置成分离状态，即将空腹区桥面系主梁设置成简支结构(图6)。

空腹区简支箱梁与跨中箱梁保持一致，也采用单箱三室断面形式，梁高1.1m，箱梁顶宽14.885m，底宽12.585m，悬臂1.15m。简支梁跨径分别为12m(1、4号墩顶)和16m(2、3 号墩顶)。

图6 空腹区局部构造

2.1.3 预应力体系

上部结构主梁最大跨径达到52m，全桥桥面系区域主梁均按A类部分预应力混凝土设计。桥梁地处人工湖，地质条件较差，通过设置体外预应力索来平衡拱形结构产生的水平力，而不能全部依靠下部结构基础来承担。

箱内纵向预应力体内钢束设置了顶板束、底板束以及腹板束。体内束和体外索索体均采用s15.2钢绞线，标准强度=1 860MPa。体内束采用塑料波纹管成孔，锚具采用相应成品锚具。体外索索体采用环氧喷涂无粘结钢绞线，外套HDPE套管，锚具为可调性锚具，并配置相应的成品减震器、成品转向器等(图7)。

图7 中跨跨中钢束断面

2.1.4 下部结构设计

如前所述，梁体与桥墩之间，可以通过支座连接，也可以采用固结体系。本桥由于有通航及浪溅、耐久性要求等原因，梁体与桥墩之间不宜采用支座而采用固结体系。

桥墩处拱座采用实体钢筋混凝土拱座，拱座顶面宽70cm，底面宽310cm。拱座通过承台下接16根1.5m钻孔灌注桩基础。

桥台为桩帽式桥台，桩基同桥墩采用1.5m钻孔灌注桩基础。

2.2 施工方法

对于本桥而言，施工方法和加载顺序决定着成桥的受力状态，研究确定出合理的施工方法是本桥设计的又一重点。

港里路桥由于其所跨越为规划的人工湖，现阶段有条件采用满堂支架法施工主梁。但对于这种多次超静定的刚构体系拱形连续梁，不宜一次性整体现浇，而需要在其跨中设置一定长度后浇合龙段，主要原因有以下二方面:

(1)通过设置后浇合龙段，以降低由于收缩徐变产生的二次内力，有效地改善结构受力;

(2)先浇段主梁浇筑完成后，形成悬臂体系，在合龙段浇筑之前，通过体外索或者其它措施对每个悬臂体系顶部施加一对体外预应力，以减少单悬臂根部区域的负弯矩，大大改善结构受力。

以上两个原因中，后是主要的，对成桥内力的影响也最明显。国内目前已建的类似桥梁，一般都是通过施加预应力改善悬臂梁的负弯矩，形成纯自锚结构，而本桥采用另外一种更为便捷的方法(对向顶推施工技术)实现了该目标。即在中跨、次中跨合龙段浇筑之前，在合龙段位置对两侧梁体施加一对相等的顶推力，同时仅在边跨通过一对体外索来平衡次中跨靠边跨侧的顶推力，达到每个桥墩位置悬臂梁受力情况均能够得到有效改善的目的。对向顶推施工不仅能够节约大量预应力钢材，降低工程造价，施工控制也非常简单，优势明显，在其它类似桥梁设计中值得推荐。