研究大跨径钢管混凝土拱桥设计技术要点

2020-01-13王丽娟

黑龙江交通科技 2020年11期

王丽娟

(山东中咨公路咨询设计有限公司，山东东营 257091)

1 发展现状分析

钢管混凝土拱桥目前在我国得到了大量应用，跨径在50 m以上的钢管混凝土拱桥数量已经超过了四百座，主跨在300 m以上的钢管混凝土拱桥数量有十余座，此类桥梁现阶段已经没有了技术门槛，在综合考虑经济性与安全性等多种因素后，是一种竞争力极强的桥型。近几年，各省相继提出与钢管混凝土拱桥有关的设计标准及规范，这些标准和规范为这种桥梁类型的设计提供了良好的技术保障。与此同时，桥梁施工技术也越来越成熟，同时正在不断创新。然而，由于对各项标准与规范及新技术的掌握还不够深度，尤其是对桥面系而言，没有对强健性引起足够的重视，整体式桥面系与悬吊桥面系等的实际应用还未能达到普及，在方案设计过程中没有考虑到抗风设计与抗震设计。为了对钢管混凝土拱桥工程设计进行深入探讨，需要结合桥梁工程实例，现以两座拱桥为例，分别记作A桥和B桥，其中，A桥跨径为252 m，桥型采用中承式，B桥跨径为220 m，桥型采用上承式。

2 设计技术要点

2.1 有推力拱

对于有推力钢管混凝土拱桥，大多建设在地质条件相对较好的山区中，而在地质条件一般和较差的平原区，若采用钢管混凝土拱桥，则结构型式以系杆拱与拱梁相组合的形式为主。就目前来看，系杆拱桥的跨径可以达到400 m，而拱梁相组合的体系，当桥梁采用中承式时，跨径通常在200 m以内，而当桥型采用中承式时，跨径可以达到300 m。

A桥所在位置的江面宽度为120 m，河槽大致为U型；河流的通航等级为I级，净宽为220 m；地层以黏土层、砾砂层、粉质黏土层、强风化含砾砂岩层等为主，桥梁设计中的地震动峰值加速度取0.1 g。将上述工程建设条件作为基础，A桥主桥建议采用跨径不小于250 m的中、下承式系杆拱或拱梁相组合的体系。初期方案采用跨径为258 m、桥型为下承式的系杆拱，之后通过研究优化，采用桥型为中承式的有推力拱。这一方案的基础为复合地基，桩基与扩大基础一同受力，岸边共布设12根桩基，桩径2.5 m。桥梁其中一端的主墩扩大基础尺寸为：长×宽×高=25 m×48.2 m×10.5-14.0 m；另外一端扩大基础的尺寸为：长×宽×高=30 m×48.2 m×11.0-14.0 m，所有扩大基础均通过现浇而成，总混凝土可以达到2.7万m3。巨大的方量为该地区进行拱桥的修建创造了良好条件。看似系杆拱和有推力拱相比之下，处于劣势，但之后修建的很多桥梁又使得系杆拱结构重新焕发出活力。

很早建成的系杆拱在系杆锚固方面存在一些问题，导致现在都习惯将系杆与高风险联系到一起，偏向使用具有良好耐久性和整体性的有推力拱。但对有推力拱而言，要通过桩基与扩大基础来实现整体受力，将其作为抗推基础，所以其圬工量难免很大。在这种情况下，有必要使两种结构一同发展，在实际应用过程中不断积累相关经验，以丰富这方面的桥梁结构型式。

2.2 强健性桥面系

之前建成的大多数拱桥，其桥面的纵向都没有布设加劲梁，直接在横梁上进行桥面板的铺设，这种桥面系的整体性很差，却依然在大量使用。但最近几年，人们开始重视到桥面系整体性的重要性，开始大量应用整体式桥面板及在加劲纵梁。相关技术规范指出：对于桥型为中承式和下承式的钢管混凝土拱桥，其桥面梁或桥面板应为连续结构，且主纵梁需要满足预期的各项要求。除此之外，相关研究成果还提出，在设计过程中，需要将桥面系分成五大类，以拱梁相组合的体系与整体式桥面系具有最高的强健性。另外，针对桥面系强健性，可采用专门的设计方法来设计，以此实现对强健性的大幅提高。

当钢管混凝土拱桥的跨径很大时，可考虑以整体式桥面系为主，若没有选择这种桥面系，而是选择了加劲纵梁，则需要使加劲纵梁具备良好刚度与承载力，确保在断索之后桥面系依然能保持稳定，不至于连续垮塌。A桥的主桥桥面系为钢格构，由钢纵梁和钢横梁两部分组成，而桥面板为钢和混凝土相结合的结构体系，有良好的整体性，同时也比较先进，可以为类似的桥梁工程设计与建设提供参考借鉴。

2.3 四肢全桁式与横哑铃形桁

初期建成的四肢桁架拱大多为横哑铃形，也就是在横向钢管之间借助缀板进行混凝土的灌注。这种结构型式在缀板的作用下被分隔成若干仓室，由人工进行高空灌注，不仅施工速度较慢，并且灌注质量也很难保证，另外，在灌注的过程中，还会对弦管造成二次污染。基于此，现在修建的桥梁已经不使用这种结构形式，而是改用四肢桁架，上述A桥采用的就是这种结构。对于这种截面型式，将强度较高的铁砂混凝土灌注到缀管当中，使吊杆锚固区实际受力达到合理，不仅施工便利，而且施工质量也比较容易保证。最早采用这种截面的拱桥，在设计计算过程中充分考虑了混凝土灌注后的受力，相较于其它截面型式，对受力更加有利，能减小5%左右的应力。而相关设计规范指出：对采用哑铃形的主拱进行计算时，处于腹腔中的混凝土不可考虑到截面受力，只计算它的自重可能造成的影响。基于此，如果没有对混凝土的受力予以充分考虑，则横哑铃形将不具备任何受力优势。就目前来看，某些桥梁只在拱座周围一定长度内进行缀板灌注，或通过混凝土外包来适应拱脚受力相对较大的情况。

2.4 强风区结构选型

对于处在强风区中的桥梁，减小梁高是降低风影响最常用和有效的方法。基于此，采用中承式桥型的拱桥和采用下承式桥型的拱桥相比，前者对抗风更加有利。另外，对于采用下承式桥型的拱桥，为满足行车要求，不能在拱脚的附近进行风撑设置，相较之下，采用中承式桥型的拱桥，其拱脚风撑处在桥面系的下部，能有效解决拱脚处有很大受力的情况。A桥所在地区的风速最大可以达到36.2 m/s，其主桥为中承式桥型。

2.5 强震区结构设计

如果山区中的拱桥桥型为上承式，而且处在强震区中时，需要注意对拱上建筑进行轻型化设计。之前建成的桥型为上承式的拱桥，它的拱上立柱与桥面板大多是钢筋混凝土，但拱上跨径一般很小，这不仅对美观会造成一定程度的影响，还会影响到结构的抗震。为了有效减小拱上建筑的自重，拱上立柱建议为钢管混凝土，而桥面板建议为钢混组合梁。

B桥所在地区的地震动峰值加速度为0.30 g，其主桥为跨径是220 m的上承式桥型拱，桥面系为钢混凝土组合连续梁，钢纵梁的高度为1.2 m，横向间隔距离为2.45 m，在顺桥向上按照5.61 m的间隔距离布设钢横梁，其高度形同，均为0.8 m；无论是钢横梁还是钢纵梁，都采用工字型的结构截面。桥面板为厚度为12 cm的预制板，在表面浇筑厚度为9 cm的钢纤维混凝土，最后铺装一层厚度为10 cm的沥青混凝土层。拱上立柱为格构式排架，柱肢和拱肋的上弦杆固定，在立柱高度的横纵两个方向上按照3 m的间隔距离交错布设横撑。所有立柱都在工厂进行分段制作和加工，然后运输到现场进行分段吊装与焊接。柱肢在顺桥向上的中心间隔距离为1.2 m，在横桥向上的中心间隔距离为2.0 m。通过验算，在E2地震持续作用下，主弦杆的承载能力可以达到规范要求，验算结果为：上弦杆：轴向受力16 521 KN，弯-y受力1 917 KN·m，弯-z受力1 678 KN·m，结构抗力20932 KN，安全系数为1.15；下弦杆：轴向受力18 130 KN，弯-y受力2 060 KN·m，弯-z受力896 KN·m，结构抗力22 662 KN，安全系数为1.14。