引江河大桥主桥系杆拱设计

罗琳 姚建锋

摘 要：结合江苏省江都至广陵高速公路引江河大桥工程实例，该文从大桥桥型选择、结构受力进行研究分析，根据控制因素确定主桥布跨和结构形式，采用有限元法建立双肋钢管混凝土系杆拱桥模型，并对施工过程和成桥状态进行了数值仿真计算，从计算结果看，设计的结构强度和应力均满足受力要求。根据施工过程计算结果拟定了指导施工方法和步骤，桥梁施工期间应根据各截面应力、应变情况做优化调整，确保构件安全。该桥的分析和设计可供今后同类桥梁的项目参考。

关键词：钢管混凝土系杆拱桥 双肋拱 有限元法 数值仿真分析

中图分类号：U448.225 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0097-02

泰州引江河位于江苏省泰州市与扬州市交界处，全长24 km，河底宽80 m，河底高程-3～-3.5 m。引江河大桥位于泰州市高港区万庄村万顺组，该位置河口宽约170 m，河道顺直规整，船只较多，现状为Ⅲ级航道，净空60×7 m，通航水位2.819 m。

该桥在江广高速公路两侧采用分离式路基进行扩建，新桥平行于老桥与老桥净距3.5 m，拟建左右幅扩宽桥与航道夹角79°。老桥主桥为计算跨径70 m系杆拱桥，扩宽桥梁和原桥采用相同的结构形式，上部结构主桥采用系杆拱桥，桥型立面示意见图1。

1 系杆拱结构设计

1.1 主桥上部结构系杆拱

主桥上部结构为70 m（计算跨径）下承式钢管混凝土系杆拱。主桥承重构件拱肋及系杆，设二榀分列。系杆间净距13.25 m，拱轴线方程y=4fx（L-x）/L2，矢跨比f/L=1/5，跨径L=70 m，矢高f=14 m。拱肋采用哑铃型双圆钢管断面，钢管外径Φ70 cm，壁厚1.4 cm，内充C40微膨胀混凝土；主跨共设一字型风撑3道，K字型风撑2道，风撑采用哑铃型双圆钢管断面，钢管直径Φ45 cm，壁厚1.0 cm；系杆采用预应力砼箱形断面，高1.8 m，宽1.4 m，顶板、底板和腹板厚均为0.30 m，于拱脚处渐变为高2.95 m的矩形断面，系杆内设施工劲性骨架。中横梁间距4.8 m，高115～141.5 cm，肋宽0.7 m，全桥共设13道。中横梁预制吊装后与系杆连接。桥面板采用高0.25 m的钢筋混凝土实心板，在T梁顶浇筑横桥向0.7 m的湿接头形成整体。端横梁为预应力砼箱形梁，高125～151.5 cm，宽2.65 m，与拱脚一起现浇施工，全桥共设两道。吊杆采用PESFD7-55索体，外套管采用Φ23.5 cm钢管，壁厚1 cm。吊杆采用LZM吊杆系统，该吊杆系统采用PES（FD）低应力防腐索体，具有安全、可靠的抗疲劳性能和防腐性能，便于施工；吊杆间距4.8 m，全桥共计26根吊杆。

1.2 主桥下部结构

主桥下部采用柱式墩，盖梁宽4.0 m，下接两根Φ2.3 m圆柱墩，墩柱横桥向间距9.75 m，承台高2.5 m。单个承台下采用双排共4根Φ1.5 m钻孔灌注桩。

2 静力计算

2.1 作用

按照进行《公路桥涵设计通用规范》的要求执行。

2.2 荷载组合

按照《公路桥涵设计通用规范》4.1.5条～4.1.10条组合计算。其中结构重要性系数γ0采用1.1。

恒载主要包括系梁、拱肋、横梁、吊杆、风撑、桥面板的结构自重以及铺装、栏杆、防撞墙、过桥管线等桥面附属设施的重量，均按照实际重量计入。此外，对于需要配置压重的区域，应根据需求考虑相应的压重荷载。

汽车荷载：按照现行《公路桥涵设计通用规范》第4.3.1条、第4.3.2条的要求执行。

钢管砼拱肋的汽车荷载冲击系数：

其中：f0为拱桥的一阶竖向频率（Hz）。

整体温差作用：混凝土结构和钢结构温度变化按地区最高和最低温度确定，并考虑钢结构温度远高于大气温度的实际特点。

温度梯度：升温梯度：T1=5℃、T2=0 ℃；降温梯度：T1=-5 ℃、T2=0 ℃。

风荷载：作用在桥上的风荷载标准值计算应按照现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的规定执行。主梁上的静阵风荷载，主拱和吊杆上的风荷载计算应按现行《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）执行。

2.3 平面分析建模要点

（1）拱肋与刚性系杆在拱脚处为刚结，并铰支在桥墩顶面的支座上。

（2）吊杆上、下端构造一般视作为分别铰接于拱肋下缘和系杆的上缘。

（3）中横梁及行车道板均以集中力的形式作用于吊杆下结点截面处。

为分析引江河大桥的受力性能，采用有限元程序进行建模。模型采用单片拱肋的平面杆系模型进行计算，桥面系、横梁的作用均以反力的形式作用在系杆上。

计算采用的常数例如结构混凝土弹性模量、质量密度、吊杆、钢铰线、钢管等材料参数均按照桥梁设计规范取值。

主梁按全预应力混凝土设计，从计算结果看，强度和应力均满足受力要求。

根据静力计算结果，吊杆内最大拉力为984.4 kN，安全系数=3535/984.4=3.6>2.5，满足规范要求。

3 结语

（1）钢管混凝土系杆拱是一种无推力的拱式组合体系，是外部静定结构，兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点，现状老桥为钢管混凝土系杆拱，江广高速在两侧拓宽，考虑到景观和桥下净空的需要，采用与主桥相同的桥型结构，是较优越的桥型。

（2）该文对施工过程以及成桥状态下正常使用阶段的主要构件进行了强度验算。持久状况下钢管砼拱肋的钢管应力不宜大于0.8fy。系杆、横梁体系的应力验算应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004 6.3节的相关规定。吊杆在标准组合下的安全系数建议不小于3。

（3）该文所述施工方案系设计计算所拟定的施工步骤，钢束的张拉顺序及张拉力应在桥梁施工期间应根据各截面应力、应变施工监控情况作优化调整，确保构件在施工期及成桥阶段各截面的应力、应变控制在规范的规定值以内。

参考文献

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥的设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2]中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3]陈宝春，郑皆连.钢管混凝土拱桥实例集（一）[M].北京：人民交通出版社，2000.