石门水库大桥技术设计

朱力琦，王江龙

(长安大学公路学院)

1 工程概述

石门水库特大桥跨越316国道和石门水库，桥两头接隧道，路线在此处为分离式，上下行相距35m左右。石门水库是国家级水利风景区，位于汉中市汉台区北18km的褒河谷口。年均气温14℃，属温热地区。左线全桥长311.8m，里程起止桩号为ZK191+809.6-ZK192+121.4。桥跨布置:27m现浇预应力混凝土箱梁桥+跨径262m钢管混凝土拱桥+22m现浇预应力混凝土箱梁桥。右线全桥长317.8m，里程起止桩号为YK191+819.6～YK192+137.4。桥跨布置:31m现浇预应力混凝土箱梁桥+跨径262m钢管混凝土拱桥+24m现浇预应力混凝土箱梁桥。主桥计算跨径为248m，计算矢高比1/4，拱轴线为m=1.5的悬链线。

2 桥梁结构形式

主桥部分，桥道系全宽16m，吊杆横梁宽20m，拱肋与桥道系相交部位，桥梁全宽21.6m。单幅桥面横向布置为:2.7m(拱肋)+0.1m+0.5m(护栏)+15m(行车道)+0.5m(护栏)+0.1m+2.7m(拱肋);单幅桥采用双片式拱肋，每片拱肋由4根Φ900 14mm钢管形成四肢桁架结构;拱肋布置在护栏外侧，这样不需额外增加桥面宽度。拱肋之间设置10道横撑以保证拱肋横向稳定，全拱采用K字型横撑，横撑最大水平间距30m。吊杆采用横向双吊杆体系，即每道吊杆横梁上四排吊杆，单幅桥共设76根吊杆，纵向每10m设置吊杆，双吊杆横向间距0.4m+18.1m+0.4m。吊杆采用OVM.GJ15-12拉索(1860MPa钢绞线)及配套锚具，单根吊杆安全系数取4.0。

主桥桥面系采用预应力混凝土吊杆横梁上设纵向“T”型行车道梁，行车道梁之间现浇横向接头，形成运营恒载下，全桥连续的纵、横正交梁格体系。行车道梁在一期恒载作用下为简支梁受力，在二期恒载及活载作用下为多点弹性支承连续梁受力。行车道梁梁高0.7m，腹板宽0.2m，翼缘宽1m，纵桥向长10m，采用C40混凝土，预制施工。

单幅桥共设吊杆横梁19道。吊杆横梁总宽20m，与行车道梁固结，截面为“土”字型，高2.2～2.52m，C50混凝土，按全预应力混凝土构件设计，预制吊装施工。单幅桥共设立柱横梁4道，横梁总宽20.1m，与行车道梁固结，截面为矩形，宽1.5m，高1.5m，C50混凝土，按全预应力混凝土构件设计，预制吊装施工。每幅桥在拱肋与行车道梁相交处共设拱上横梁2道，其与拱肋固结，采用钢管混凝土结构。拱上横梁与行车道梁间设板式橡胶支座，同时设2对共4个横向限位液压滑动支座，增强对桥道系的横向约束，同时不限制桥道系的纵向变位。

立柱高度≥10m，采用Φ1200×14mm钢管，立柱高度＜10m，采用Φ1000×14mm钢管。立柱与拱圈交接处焊接，与立柱横梁间设置橡胶支座。每幅桥拱土立柱共设4对，纵向间距10m，横向间距18.9m，钢管混凝土立柱采用Q345钢板，内灌注C50混凝土。

单幅桥主墩墩身为双柱式钢筋混凝土桥墩，C30棍凝土，柱径1.8m，柱间距10m，墩高在15～25m之间。为了与引桥合理衔接，墩顶盖梁采用钢筋混凝土高低盖梁。

3 技术设计

在初步设计阶段，通过选用不同的拱轴线计算确定了该桥的拱轴线形式及拱肋断面形式。进入技术设计阶段后进行了如下结构受力分析工作。

3.1 双肋拱肋间横向联结系优化配置与稳定性分析

为寻求最佳的肋间横联位置与数量，我们选取了6种横联布置形式，对主拱圈在裸拱恒载作用下的稳定性进行了分析，最后选定第6种横联布置形式，即全桥共设7道桁构式横联，其中桥面以上设5道。为进一步验算拱桥的稳定性，对施工过程中各阶段的稳定性进行分析。稳定性分析结果见表1。

表1 施工阶段稳定性分析

3.2 横梁验算

全桥共设置19道吊杆横梁，配置4束钢绞线;4道立柱横梁设置6束钢绞线。吊杆横梁共划分为20个梁单元，4束预应力。持久状况承载能力极限状态下，吊杆横梁正截面抗弯承载力检算结果如图1所示。

图1中，绿色线为抗力值，黄色线为效应值，计算表明横梁正截面抗弯承载能力满足要求。

图1 主梁抗弯承载能力图

3.3 施工阶段稳定检算

施工阶段仅计算三个工况，工况一为拱肋与横撑架设完毕，拱脚未封铰时两铰拱;工况二为拱脚封铰，形成无铰拱;工况三为立柱、吊杆及横梁架设完毕。具体检算见表2。

表2 施工阶段稳定验算

由表2知，施工阶段设计稳定系数与复核稳定系数差异较大，但设计失稳模态与复核失稳模态一致，可能由于设计模型边界条件与复核模型不一致造成，需进一步核查。

3.4 动力检算

采用有限元软件Midas建立全桥模型，拱脚及边立柱墩底均采用固结，立柱横梁与立柱之间采用弹性连接模拟支座，一侧边立柱横梁与T型纵梁之间仅约束竖向、横向及纵向线位移，其余立柱横梁与T型纵梁之间仅约束竖向、横向线位移;吊杆横梁与T型纵梁采用刚性连接模拟。全桥动力特性检算见表3、表4。

表3 全桥动力特性值

表4 全桥动力特性检算

由表3、表4知，第4、5阶设计频率值与复核值差异较大，且第4、5阶设计振型与复核振型发生顺序不一致，需进一步校核;其余阶次设计频率值与复核值基本吻合，且各自相应振型也一致。

4 结论

石门大桥技术设计遵循“安全、适用、经济和有利环保”的原则，主体结构体现了因地制宜、方便施工及就地取材等设计思想，总体上是可行的。同时石门大桥技术设计也反映出很多先进理念的设计，如球形吊杆垫板有利于各股钢绞线均匀受力;以预制安装并通过少量湿接缝连接的桥面系具有整体性好，且可有效避免大面积现浇而产生的收缩徐变裂缝等特色。有些计算与验算结果、非主体结构构造设计可进一步完善。

[1] 徐次达，华伯浩.固体力学有限元理论、方法程序[M].北京:水利电力出版社，1983.

[2] 彭卫，陈云峰，杜时贵.中承式钢管混凝土拱桥的优化设计[J].中国公路学报，1999，12(48):66-69.