大跨径拱柱梁全固结体系钢箱桁肋拱桥设计

窦 巍

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

1 项目简介

宜宾至昭通高速公路是四川省宜宾市至云南省昭通市的重要通道，路线全长135.4 km，在彝良县东北部设白水江特大桥。作为本项目的控制性节点，该桥的建设方案的选择至关重要。

项目为双向四车道高速公路，设计速度为80 km/h，路基宽为24.5 m，横向布置为0.5 m(防撞护栏)+11 m(行车道)+1.5 m(中央分隔带)+11 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏)，地震动加速度峰值为0.05g，设计百年一遇基本风速为28.2 m/s。

2 桥型方案研究

本桥位于“V”形峡谷地段，如图1所示，路线与地形交线宽458 m，桥面与谷底高差290 m， 两岸边坡陡峭，适宜跨径在260 m以上，连续刚构及矮塔、双塔斜拉桥难以满足边跨布设要求，因此本桥适用独塔斜拉桥、悬索桥和拱桥方案。

图1 桥位纵断面示意图

2.1 独塔斜拉桥方案

选取彝良岸坡顶平台设置主塔，主跨跨越峡谷，边跨跨越彝良岸山谷。跨径布置为(260+415+55)m，如图2所示。

图2 彝良侧设塔柱的独塔斜拉桥方案布置图

本方案峡谷采用主桥跨越，施工工艺单一。但主跨达470 m，实施难度巨大。

2.2 悬索桥方案

主桥采用主跨450 m的单跨简支布置，如图3所示，主缆跨度为(150+450+32)m。

图3 悬索桥方案布置图

本方案适应本桥位地形，但缺陷是：主跨450 m不属于悬索桥经济跨径；昭通岸锚碇与隧道位置冲突；索塔高度仅50 m，景观效果不好。

2.3 上承式拱桥方案

本方案结合地形条件，采用上承式拱桥方案，如图4所示，主拱跨度取330 m，矢高为60 m。

图4 上承式拱桥方案布置图

本方案十分适应本桥位地形，具备很高的研究价值。

2.4 中承式拱桥方案

在上承式拱桥方案的基础上，将拱座上移，布设中承式拱桥，如图5所示，主拱跨度取388 m，矢高90 m。

图5 中承式拱桥方案布置图

本方案也十分适应本桥位地形，具备很高的研究价值。

2.5 方案比选

根据四种方案优缺点的分析论证，独塔斜拉桥和悬索桥存在明显的缺陷，因此仅针对上承式拱桥和中承式拱桥进行同深度比选。

表1 桥型方案综合比较表

3 主桥结构设计

3.1 总体设计

主桥桥面跨径布置为22×16 m，采用上承式钢箱桁肋拱桥，主跨330 m，矢高60 m，矢跨比1/5.5，拱轴系数1.5；横桥向有3片桁架；立柱为钢排架；主梁为叠合梁。

3.2 拱肋设计

对国内已建成钢管混凝土拱桥的调查发现，管内混凝土脱空现象普遍。考虑到本桥施工条件较差，难以保证施工质量，因此本桥不考虑钢管混凝土拱肋方案。

受地形所限，拱肋矢跨比为1∶5.5，存在较大的弯矩。钢箱拱提高抗弯增加的材料用量不是承压所需要的，而桁架结构只需调整腹杆构造，就可以最大限度提供抗弯刚度，因此本桥设计中采用桁架拱方案，如图6所示。拱肋上下弦杆为等截面钢箱，腹杆、平联采用工字截面，拱肋为等高桁架，桁高8.5 m，拱箱断面为1.4 m×1 m，从拱顶至拱脚板厚为30～42 mm，弦杆与腹杆的连接采用整体式节点，所有构件连接均采用焊接。

图6 主拱肋1/2布置图

3.3 拱上建筑设计

上承式拱桥通常在立柱上设置混凝土盖梁，上部架设空心板,如图7所示。

图7 常规上承式拱桥空心板上部方案

本桥拱肋和立柱自重较轻，若采用常规设计，整个结构刚度不匹配；同时结构整体性较差，受风载影响稳定性较差。为解决这一问题，本桥上部采用纵横梁格构体系，通过剪力键与行车道板连接，形成了拱梁柱全固结体系，如图8所示。

图8 拱梁柱全固结体系拱上建筑方案

立柱采用钢箱桁架柱，纵桥向间距为16 m。立柱高度大于12 m时设交叉斜撑。立柱顶与主纵梁焊接。

上部钢格构设置3道主纵梁，梁高为1.5 m；横梁间距为4 m，采用“工”形梁，梁高1.0 m；横梁与纵梁之间采用栓焊结合的连接方式。

行车道板为C50钢纤维钢筋混凝土结构，厚度25 cm，预制板通过湿接缝与钢梁连接。

3.4 拱座设计

拱座基础采用带有台阶的扩大基础，拱座与基础合为一体，拱座厚度方向5 m，总高度20.895 m，基础采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土。

4 主桥施工方案

主桥施工吊装以缆索吊装为主，在适合的位置布设缆索吊机，吊塔距离约400 m，兼作拱肋施工扣塔，如图9所示。

图9 施工场地布设图

5 主桥结构分析

5.1 主要计算方法、参数和假定

主桥钢结构有限元模型如图10所示，采用Q345qD钢材，桥墩、拱座等采用C50混凝土，桥面板采用CF50钢纤维混凝土，技术参数按相关规范计取。构件采用空间梁单元。

图10 总体有限元计算模型图

分析中考虑恒载、活载、基础沉降、温度荷载、风荷载作用，进行施工及运营阶段模拟分析，按规范进行组合。

5.2 主要计算结果

5.2.1 结构刚度

结构刚度计算见表2，结构刚度满足规范要求。

表2 钢梁竖向挠度(汽车活载不计冲击力)

5.2.2 主要结构静力计算结果

运营阶段基本组合，主拱圈上弦杆最大压应力为171.4 MPa，最大拉应力为108.7 MPa；下弦杆最大压应力为205.9 MPa，最大拉应力为56.3 MPa。钢梁最大压应力为89.3 MPa，最大拉应力为72.1 MPa。桥面板最大压应力为10.3 MPa。

主要构件计算结果均满足规范要求。

5.2.3 结构稳定性

运营阶段一阶稳定特征值为19.5，如图11所示，满足规范要求。

图11 运营阶段稳定特征值

6 结束语

传统的上承式拱桥一般均采用柱拱固结、梁柱铰接的结构型式。本桥设计采用了拱柱梁全固结体系，调整了结构的刚度比例，优化了结构的动力性能，大幅度提高了结构的纵横向稳定性，结构抗震、抗风性能显著提高。

同时，本桥设计中，由于地形条件限制，矢跨比达到1∶5.5，而采用传统的混凝土结构、钢箱结构或钢管混凝土结构，经济矢跨比一般为1∶(4～5)。为提高桥型结构的适应性，本桥采用了钢箱桁肋主拱结构，降低了拱圈杆件内力，提高了结构的适用性。

此外，桥面结构采用了钢-混凝土组合梁，降低了结构自重，吊装重量大大减小，降低了桥梁施工难度，提高了施工速度。

白水江特大桥设计中，采用了这三项设计创新点，即拱柱梁全固结结构体系、大跨度钢箱桁肋主拱结构、钢-混凝土组合梁桥面结构，供同类桥梁结构研究比选。