某梁拱组合桥总体设计与施工方案

2020-09-10徐涛

交通科技与管理 2020年4期

摘要：随着经济的发展，人们越来越重视桥梁的景观设计，本文采用3dMax建模对比分析了桥梁的景观设计。介绍了大桥的总体方案，采用板单元模型推理了梁的合理有效宽度，介绍了梁拱组合桥调索的便捷方法，并对比了桥梁顶推施工的可行性方案。

关键词：景观设计;梁拱组合桥;调索;顶推施工

中图分类号：U422.5 文献标识码：A

1 工程概况

项目位置远期规划为盐城市城南片区的区域中心，同时结合周边的地块开发情况，本桥宜打造成盐城南部地标性的景观建筑桥梁。综合考虑防洪、通航等要求，大桥跨径布置采用40 m+110 m+40 m，为造型简洁大方、横向不设风撑的钢箱梁拱组合桥，如图1所示。

主桥横断面布置为：3.5 m（人行道）+5.5 m（非机动车道）+3.5 m（拱肋吊杆区）+12.25 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+12.25 m（机动车道）+3.5 m（拱肋吊杆区）+5.5 m（非机动车道）+3.5 m（人行道）=50 m，采用向外的2%横坡。

2 桥梁设计

2.1 拱肋景观优化设计

桥梁主跨为110 m，梁底距水面高度约8.5 m，拱肋高度（不含装饰）由拱顶的2.2 m向拱脚的3.5 m渐变。为增强桥梁与环境的协调性，本文采用3DMax建立全桥模型，分别对比了20 m、18 m、16 m三种不同的拱肋高度，对应的矢高比分别为1/5.5、1/6.11、1/6.88。

渲染出的小样如图2所示，通过对比可见，当拱肋高度为18 m（矢高比1/6.11）时，整体形态更加优美，更具力量感、雕塑感。水面、桥面及拱肋结合性更好，更能体现出拱肋的流线设计，形态亦更加温婉。

桥梁美化的方法还包括桥梁表面的处理，作为景观桥梁更有必要进行表面的处理，除色彩和夜景的处理之外，桥体轮廓边线也能强调不同结构部位的特征。本桥拱肋上缘外包冷压钢板作为装饰，以增强桥梁景观效果。在此，对比六边形和梯形拱肋断面（拱肋+装饰拱），如图3、图4所示。

经综合比较，拱肋主体结构采用六边形断面时，更能体现拱桥的力量感，凸显拱桥的圆润;相反，采用梯形断面，视觉上更显平庸。因此，本桥拱肋采用了顶、底板水平，上腹板、下腹板反向倾斜并在拱肋中心线处相接，形成外凸的侧棱线。拱肋上缘装饰板采用梯形带圆弧倒角的外形。

2.2 系梁、车行道钢箱梁构造

系梁及行车道钢箱梁结构如图5所示。系梁全桥均为2.2 m高度，在主跨范围内系梁宽1.62 m，在边跨范围内系梁宽1.81 m，在拱脚处系梁宽度2.2 m。车行道部分采用钢箱梁形式，桥面采用正交异性板结构[1]，以16 mm厚为主，下设“U”形纵向加劲肋，间距600 mm。底板以12 mm厚为主，上设“U”形纵向加劲肋，间距800 mm。箱梁范围内设2道纵腹板，板厚14 mm。

2.3 非机动车道与人行道挑梁构造

挑梁亦为正交异性桥面板，见图6。桥面板厚14 mm，下设板式加劲肋，间距以350 mm为主。挑梁设五道纵梁，纵梁腹板厚12 mm，下翼缘板厚16 mm。挑梁腹板间距以8.4 m为主。

3 受力分析

3.1 施工方案及受力分析

桥位所在河道通航净空不小于70 m×7 m，为不影响通航，钢箱梁的架设拟采用顶推法施工。为确保工程质量及施工进度，对以下两种顶推跨径方案进行比较。

3.1.1 先梁后拱顶推方案。

主要施工流程如下：①設置顶推用临时墩，搭设主梁拼装平台，安装顶推装置。②拼装主梁;安装钢导梁。③主梁向前顶推，到位后拆除钢导梁。④拆除主梁拼装平台。⑤搭设拱肋拼装支架，对称吊装拱肋节段。⑥拆除拱肋拼装支架，安装吊杆，依次进行第一轮、第二轮吊杆张拉。

3.1.2 梁拱一起顶推方案

主要施工流程如下：①设置顶推用临时墩，搭设主梁拼装平台，安装顶推装置。②拼装主梁，搭设拱肋拼装支架，对称吊装拱肋节段。③安装顶推用钢导梁。④主梁及拱肋向前顶推，到位后拆除钢导梁。⑤拆除主梁拼装平台、拱肋拼装支架，安装吊杆，依次进行第一轮、第二轮吊杆张拉。

3.1.3 顶推比较

采用Midas Civil建立全桥整体模型分析两种顶推方案，顶推跨径为70 m。为简化计算，本文从顶推进度为42 m起算（导梁完全悬出），以2 m间距为步距，至顶推进度为112 m（主梁上墩），建模见图7。同时，将顶推过程分成35个施工阶段，通过调整支承边界条件来实现每个施工阶段。

通过计算发现，导梁上到对面临时墩后，应力还在整加，直至约一半长度的导梁跨过对面的临时墩。经计算方案一（先梁后拱顶推方案）顶推过程中的最大应力约154.6 MPa;方案二（梁拱一起顶推方案）顶推过程中的最大应力约187.9 MPa。

为避免局部板件因受力过大而失稳，必要时需增设相应加劲构造。在竖向千斤顶与钢梁之间须设置垫梁，使千斤顶作用在钢梁上的集中力在纵桥向能够均匀扩散。经计算，扩散范围不小于1.5 m，并直接传递到系梁、箱梁的腹板上[2-3]。

3.2 受力分析

3.2.1 箱梁有效分布宽度

本文用有限元软件Midas Civil中的梁单位该桥进行建模分析，因现有规范没有明确钢箱梁拱组合桥钢箱梁的合理有效分布宽度，本文分别建立了本桥的梁格单元模型和板单元模型，分别如图8、图9所示。

经综合对比，当梁格模型采用0.88～0.95倍左右的有效宽度折减系数时，两模型中箱梁顶底板应力基本一致，因此梁格模型中采用0.91对箱梁顶底板进行折减[4]。

3.2.2 吊杆索力的确定

（1）吊杆最优索力探索。本桥为钢箱梁拱组合桥，属于高次超静定结构（如图10所示），由于其成桥线形和内力状态可以通过吊杆拉力的调整得到，因此设计首先是确定其合理的成桥状态。解决这一问题的办法主要有：最小弯曲能量原理法、影响矩阵法、内力平衡法、刚性支承连续梁法等。本桥设计中借鉴斜拉桥的最小弯曲能量原理法，得到了预期的吊杆张拉力。

最小弯曲能量原理法是以整个结构的弯曲能量最小为目标函数，计算得到结构在恒载作用下的弯矩余能最小。对于梁拱组合桥来说的具体办法就是将梁、拱和吊杆的面积扩大N倍，并采用一次落架成桥的方法，求出合理的索力，然后再带入模型，进一步微调优化结构（主要考虑弯矩和预拱度），此时得到的索力为最优索力，本桥计算结果如表1所示。

（2）分阶段施工吊杆索力计算。结合3.1.3条确定的顶推方案，顶推就位且拱肋在支架上全部拼装完毕后，拆除拱肋支架并安装吊杆。吊杆采用1-2-3-4-5-6的张拉顺序，同时以桥面中心线和跨径中心线对称张拉。吊杆张拉按两轮进行，第二轮张拉完毕后拆除剩余主梁支架，安装拱肋外包装饰并进行桥面系施工。

按最小弯曲能量原理法，第一轮吊杆力分布为850 kN～

1 100 kN，钢箱梁、拱肋挠度变形20 mm以内，因此第一轮张拉力按照1 000 kN控制。下面按正装迭代法计算达到预期的吊杆力。

首先将该成桥状态与事先定好的合理成桥状态进行比较，求出差值。利用索力影响矩阵，根据最小二乘法原理，通过使两个成桥状态的控制量差值最小来计算安装索力的调整量，得到新的安装索力。

再次进行新的一轮正装计算，直至收敛为止。

通过迭代计算，最终索力与最优索力之间差值均在20 kN以内，得到了理想的索力。

3.2.3 稳定性计算

本桥未设置横撑，结构的稳定性亦是重点关注的内容。结构稳定安全系数K定义为：K=Pcr/PT，式中：K为结构稳定安全系数。

成桥状态恒载包括结构自重与二期恒载。活载分别用活载追踪器追踪到边跨中点位移最大、中跨中点位移最大、主拱中点位移最大等三种情况。在恒载+活载作用下的屈曲稳定，计算得一阶屈曲为拱肋同向失稳（如图11），模型的屈曲稳定系數为8.45，满足规范规定稳定系数大于4的要求。

4 结语

（1）目前我国正处在桥梁建设的一个高峰时期，桥梁设计与建设不纯粹以交通为目的，桥梁景观设计已提上日程，本桥以缓和拱肋加装饰拱为造型，不仅改善了当地的交通状况，也形成了一道独特的景观风貌，为类似景观桥设计提供参考。

（2）采用板单位模型分析了梁拱组合桥梁体的合理有效宽度;借鉴斜拉桥调索方式，总结出了类似钢箱梁拱组合桥的便捷调索方式。