结合梁系杆拱桥设计创新探讨

钢混结合梁以良好的结构受力性能，较少的后期维护量在大跨度桥梁中得到广泛应用。悬索桥中武汉鹦鹉洲长江大桥（跨度850 m）［1］、宜昌庙嘴长江大桥（跨度838 m）［2］，斜拉桥中武汉二七长江大桥（跨度616 m）［3］均采用了结合梁。国内的拱桥应用结合梁较少；但欧洲等发达国家应用广泛，跨度小到100 m以下，大到接近300 m都有工程应用［4］。

湖北黄石新港是交通运输部支持建设的长江经济带重点港区，湖北省规划建设的综合性港区及“鄂东组合港”核心港区，海洲大道为新港物流园对外交通的主要通道，跨越大冶湖河道，大冶湖大桥为主跨212 m结合梁系杆拱桥，本文详细介绍了该桥的设计及关键技术，为以后类似桥梁建设提供借鉴。

1 工程概况

湖北黄石新港大冶湖大桥因通航与防洪需要，采用主跨212 m下承式系杆拱桥方案，钢箱拱肋结合梁提篮拱桥的形式，全长220 m，拱肋水平跨度212 m，简支体系。见图1。

图1 桥型布置

主要技术标准：城市主干道，设计速度60 km/h，双向6车道+两侧各2 m人行道，汽车荷载城-A级。

2 主要技术难点

2.1 结合梁

本桥位于港区对外交通的主要通道上，重载车辆较多，为避免正交异性钢桥面疲劳损伤风险，采用了钢混结合梁。系杆拱体系中拱脚水平推力由系杆或系杆索平衡，考虑到系杆索耐久性有限，需经常检查维护，后期更换费用高，因此本桥以结合梁作为体系中的受拉构件来平衡拱肋水平推力，如何解决混凝土桥面板开裂问题是设计的关键。常规方案是将桥面结构与系杆分离开，通过钢系杆（边箱）平衡拱肋水平推力［5］并利用钢横梁面外刚度弱的特点，协调边箱与桥面板之间的变形差值，减小从钢系杆传到桥面板上的拉力，见图2。

图2 常规主梁断面

该方案因需要横梁的面外变形协调钢箱与桥面板之间变形差值，横梁的跨度增加了10.7 m，导致横梁梁高及拱肋横撑长度增加，工程量亦相应增加。另外，桥梁跨度越大，在梁端需要协调的钢箱与桥面板之间变形差值就越大，桥梁的整体性越差，因此常规方案主要适合跨度、桥宽、荷载较小的结合梁系杆拱桥。本项目跨度达到212 m，常规方案不适合，采用了桥面板内施加预应力的方法。

2.2 梁端横梁及桥面板

梁端横梁及桥面板受力较为复杂，由于大量的预应力钢束在梁端进行锚固，系梁端部钢纵梁处为负弯矩区，还要承受拱肋传递的纵向与横向水平力，计算时需要考虑几个体系的受力叠加。

提篮拱桥的常规设计是在拱脚间采用刚度较大的箱型端横梁［6］，用以抵抗拱脚之间横向水平力，见图3。

图3 常规横梁方案

横梁1为拱脚间箱型端横梁，横梁2为工字型断面横梁。这种设计方案横梁2的水平面内抗弯刚度较低，不能有效分担混凝土桥面板所承受的弯矩。

现将横梁2腹板向梁端移动并将横梁1与横梁2的顶底板连接形成整体，见图4中端横梁3。适当增大横梁3的腹板厚度，使横梁3的水平面内抗弯刚度较横梁1、横梁2有很大提升，能够更好地承担桥面预应力产生的负弯矩，降低桥面板的横向拉应力。

3 设计方案

3.1 拱肋

拱肋采用变截面钢箱拱肋，矢高48 m，矢跨比1/4.4。拱肋线形采用二次抛物线，平面内倾7.125°形成提篮拱，见图5。

图4 优化后横梁方案

图5 拱肋结构

拱顶处截面高2.8 m，宽2.2 m；拱脚处截面高4.4 m，宽2.2 m。拱肋顶板、底板钢板厚度为32～44 mm，腹板钢板厚度为24～28 mm；顶底板腹板均采用板式加劲肋加劲。

横撑采用一字型，箱型截面，跨中横撑高2 m、宽2 m，其余高2 m、宽2.4 m，板厚16 mm。全桥共计10道横撑。横撑与拱肋之间采用焊接方式连接。

3.2 主梁

主梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁，通过剪力钉相结合。钢梁部分由边主梁、横梁及小纵梁共同组成梁格体系，采用了在桥面板施加预应力的方式。边主梁中心线处高2 742 mm，箱室宽2 217 mm，见图6。标准节段长度为9 m，每间隔3 m设置一道横梁， 见图7。

图6 主梁标准断面

图7 主梁横梁处断面

除端横梁采用箱型截面外，其余横梁均为工字形。横梁顶板、底板与边主梁顶板、底板焊接，腹板纵梁栓接。在主桥中心线处、主梁两侧托架外边缘处，共设置三道小纵梁，以保证钢横梁安装过程中的稳定并作为桥面板现浇缝的模板。

桥面板分块预制、现浇湿接缝连接，板厚为26 cm。为方便预应力锚固，在距梁端1.4 m处开始变厚为43 cm。

梁端桥面板受力较为复杂，为降低端横梁处桥面板应力，减少裂缝宽度，对该处桥面板施工顺序进行了调整，见图8。

图8 桥面板现浇段分块

图8中，QX0为混凝土现场浇筑区域，将QX0中划分出QX0’区域。施工过程为QX0区段的混凝土浇筑达到设计强度后，分批张拉桥面板预应力钢束，待桥面板预应力施工完成后连接QX0’区域的钢筋并浇筑QX0’区域的混凝土。通过施工顺序的调整，释放桥面板负弯矩区域的转动约束，将预应力产生的负弯矩进一步传递给大型钢端横梁，降低混凝土桥面板的横向拉应力。

3.3 吊索

吊索纵向间距9 m，每处吊点均设置2根吊索，单根吊索由127丝ϕ5 mm镀锌高强钢丝组成，冷铸锚头。吊索在拱肋及边主梁上的锚固均采用锚箱形式，锚箱分别位于拱肋钢箱和边主梁钢箱内部，拱肋端张拉。

3.4 桥墩与基础

采用双柱式桥墩，单柱截面尺寸为4.5 m（横向）×3.0 m（纵向），承台平面尺寸为8.0 m（横向）×11.0 m（纵向），高4.0 m，基础为6根直径1.8 m的钻孔灌注桩。

4 结构计算

4.1 计算模型

采用Midas/Civil 2012分析软件对结构进行计算分析，标准横梁使用梁单元模拟，端横梁及混凝土桥面板使用板单元模拟，吊索系杆索采用桁架单元建模，其他采用梁单元建模，见图9。

图9 计算模型

4.2 主要计算结果

4.2.1 刚度

主梁活载作用下最大挠度8.9 cm，挠跨比1/2 382，满足规范要求［7］。

4.2.2 钢梁

钢梁基本组合下最大拉应力144.5 MPa,最大压应力123 MPa，最大应力值＜[σ]=270 MPa，满足规范要求［7］。见图10。

图10 基本组合系梁应力

4.2.3 桥面板抗裂验算

短期效应组合混凝土桥面板最大拉应力出现下横梁间板跨中的下缘，拉应力为1.3 MPa＜0.7ftk。长期效应组合混凝土桥面板最小压应力出现下横梁间跨中的下缘，未出现拉应力，满足规范要求［7］。

4.2.4 端横梁

常规方案横梁顶板横向拉应力为66.7 MPa，优化后为39.2 MPa。采用优化方案后，混凝土桥面板板顶横桥向应力由4.1 MPa下降为2.0 MPa，板底横桥向应力由5.5 MPa下降为2.6 MPa。采用优化后的横梁方案，在维持钢顶板、腹板板厚不变的前提下，由负弯矩产生的钢结构及混凝土桥面板横向拉应力减小了约45%。

5 结语

在大冶湖大桥设计过程中，针对桥址处通航防洪要求及港口重载交通特点因地制宜的选择了结合梁系杆拱桥方案并采用了多项创新设计：

1）在桥面板内施加预应力，除能够平衡拱脚水平推力，也能在运营阶段减少裂缝，提高桥梁的耐久性；

2）采用新型的横梁设计并通过桥面板施工顺序的调整，使结构体系受力更加合理安全。