预应力混凝土空腹式刚架拱桥结构设计

关 伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

洪洞汾河某大桥为预应力混凝土空腹式刚架拱桥，该桥位于洪洞县汾河上，桥址处于汾河下游河谷部位，是地壳运动过程中岩层陷落而形成的。河道处主河槽东、西摆动幅度变小，河床宽阔，河槽较稳定。项目区属暖温带大陆性季风气候区，冬季气候干燥寒冷，夏季炎热多雨。汾河是洪洞县最大的河流，也是黄河最大的支流之一，桥位处汾河无通航要求。主桥桥型布置图见图1。

图1 主桥桥型布置图

2 主要技术标准

a）道路等级 城市快速路；b）设计速度 80 km/h；c）设计荷载 城 -A 级；d）人群荷载 3.5 kN/m2；e）桥面宽度 15.0 m；f）设计车道数 四车道；g）地震动峰值加速度 0.10 g；h）设计洪水频率 1/100。

3 主桥结构设计

3.1 主桥结构模型

本文采用TDV RMV8i有限元程序建立桥梁模型，采用MIDAS软件对桥梁结构计算进行校核。实际桥梁结构模型见图2。

图2 主桥结构模型图

3.2 总体设计

洪洞汾河某大桥主桥采用67+100+67 m预应力混凝土空腹式刚架拱桥，边中跨比为0.67，拱矢高f＝16.89 m，矢跨比 f∶l=1∶5.236。主桥起点为K0+100，终点为K0+334，全长234 m。纵断面：主桥跨中为线路变坡点，纵坡沿变坡点左右对称，均为3%，竖曲线半径8 000 m，主桥均在竖曲线范围内。平面：主桥均处于直线段上。桥面铺装采用4 cm改性沥青混凝土+6 cm普通沥青混凝土桥面铺装，防水层采用SJC-FⅡ型桥面防水层，调平层采用10 cm C50钢纤维防水混凝土桥面铺装。在主桥与引桥相接的3号和6号墩处，均设置D160型毛勒伸缩缝。主桥支座均采用抗震型支座，单向活动支座和多向活动支座。

3.3 上部结构

上部主梁采用变高度宽翼缘单箱单室截面。边跨、中跨、空腹段的等高梁段的梁高分别为2.5 m、1.8 m、2.0 m。拱梁相连处梁高分别为 4.84 m、4.47 m。主梁上缘均位于半径R=8 000 m的竖曲线上，边跨梁底和斜腿下缘通过半径R=42.5 m的圆曲线相连，中跨梁底和斜腿下缘通过半径R=50 m的圆曲线相连，三角形空腹段等高梁段梁底两侧分别接半径R=56.7 m和R=63.3 m的圆曲线。箱梁顶板厚度 25～40 cm，腹板厚40～60 cm，底板厚 30～60 cm。桥面横坡由箱梁顶板人字形形成，箱梁两侧腹板横向高度相同，箱梁底板横向保持水平。斜腿采用单箱单室矩形截面，顶板厚40～60 cm，底板厚40～60 cm，腹板厚50～60 cm。内、外斜腿轴线和水平线的夹角分别为38.37°、34.42°，斜腿根部设1.4 m的实心段。

主桥箱梁采用三向预应力结构，斜腿只沿纵向布置预应力。主梁沿纵向只设顶板束和底板束，无腹板束，在顶板设临时束一对。底板无平弯束，除边跨侧部分锚固于梁端外，其余均设锯齿块锚固。箱梁顶板横向预应力沿桥长1.0 m间距布置。横向束沿箱梁顶板横向成曲线布置，一端张拉，一端固定，张拉端和固定端交错分别设置。箱梁腹板内设竖向预应力精轧螺纹钢筋，竖向预应力沿桥长按0.5 m间距布置。内外斜腿均只在斜腿下缘布置预应力束。

3.4 基础及下部结构

主墩基础采用8根φ2.0 m钻孔灌注摩擦桩，桩尖持力层位于卵石土中，主桥共有16根φ2.0 m摩擦桩。分联墩基础采用6根φ1.5 m钻孔灌注摩擦桩，桩尖持力层位于卵石土中，分联墩共有12根φ1.5 m摩擦桩。主墩承台尺寸为11.2 m×14.8 m×2 m，分联墩承台尺寸为7.0 m×10.5 m×3 m。主墩拱座呈梯形共2个，设有预应力与斜腿相联。

3.5 主桥计算参数

a）永久作用 结构计算时永久作用除考虑了结构重力（包括二期恒载），预应力，混凝土收缩徐变外，还考虑了基础变位作用，按0.01 m考虑。

b）可变作用 包括汽车荷载、人群荷载、结构整体升降温作用、温度梯度作用，其中汽车荷载按单车道、双车道、三车道、四车道对结构进行加载，程序对车道活载进行最不利包络，同时考虑偏载影响，按规范进行相应汽车荷载纵向折减和横向折减。温度梯度按规范10 cm沥青混凝土铺装层正温差温度基数计算，反温差按正温差的-0.5倍计[1]。

3.6 主桥计算结果分析

通过对预应力混凝土空腹式刚架拱桥实际模型计算分析，上部变截面连续箱梁受力与不等跨连续箱梁受力类似[2]，上部变截面连续箱梁成桥状态下自重弯矩、剪力见图3、图4，可从图3、图4看出此点。实际拱腿起支撑作用，拱腿以受压为主。

图3 上部变截面连续箱梁Mz图

图4 上部变截面连续箱梁Qy图

成桥状态在中跨跨中及边跨施加100 kN水平力，上部主梁轴向力见图5、图6，从图中可以看出预应力混凝土空腹式刚架拱桥水平刚度很大，当在中跨跨中施加水平力时，边跨几乎不受影响，当在边跨施加水平力时，另外一边跨几乎不受影响，这一特性与连续梁桥及连续刚构桥有明显不同。

图5 H=100 kN上部主梁Nx图（中跨）

图6 H=100 kN上部主梁Nx图（边跨）

单个空腹式刚架在合拢后最不利的受力状态是在刚架桥面端部施加一竖向力，施加V=100 kN的竖向力，空腹式刚架轴向力见图7，从图7可以看出上部主梁受拉，内、外侧斜腿均受压。单个空腹式刚架合拢后自身已具有很大的面内稳定性，对后期的两侧悬臂施工奠定了基础。

图7 V=100 kN单个空腹式刚架Nx图

4 主桥结构施工

预应力混凝土空腹式刚架拱桥施工过程主要有以下5种不同的结构体系变化，结构体系变化见图8。

图8 结构体系变化图

图9 主桥施工简图

由于结构在施工中存在多次体系转换，临时支墩是整个施工步骤中一道关键的辅助工程，具有重要的作用。主桥施工简图及主要施工步骤流程见图9、图10。

图10 主桥主要施工步骤流程图

5 结语

a）预应力混凝土空腹式刚架拱桥是一种新型的桥梁结构，该桥型结构属于梁拱组合体系，与等跨径的连续刚构桥梁相比，其上部箱梁的结构尺寸可以减少许多，上部结构自重也随之减轻。与等桥长的变截面连续梁相比，可以减少桥墩数量，降低工程造价，减小阻水面积，提高桥梁泄水能力。该桥型易与环境相融合，同时也不乏现代气息。

b）本文重点阐述了预应力混凝土空腹式刚架拱桥上部主梁、斜腿、成桥状态下水平力对结构的影响及单个空腹式刚架拱不利受力状态的结构受力特性，由于该种结构为超静定结构，基础变位作用、混凝土收缩徐变、温度变化等因素，均会使结构产生次内力，这些因素在设计中应当予以重视。

c）预应力混凝土空腹式刚架拱桥在施工过程中存在多次结构体系的变化，尤其是临时支墩的辅助施工，使单个空腹式刚架拱合拢变得易于施工，同时也为单个空腹式刚架拱合拢后两侧悬臂施工提供第二道安全保障。施工过程中还应注意单个空腹式刚架拱现浇支架的拆卸，不同的施工步骤支架拆卸部分不同。