一座装配式下承系杆拱桥的设计探讨

朱 纯 海

(江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214000)

1 概述

本桥位于盐城建湖县，是双湖路上一个重要的节点控制工程。双湖大桥段为双向六车道城镇道路断面，断面总宽50 m，分三幅布置。具体断面布置为：4 m人行道+5.5 m非机动车道+4.25 m机非分隔带+0.5 m路缘带+3×3.5 m机动车道+0.5 m双黄线+3×3.5 m机动车道+0.5 m路缘带+4.25 m机非分隔带+5.5 m非机动车道+4 m人行道。

大桥跨越五级航道西塘河，通航净空为45×5 m，大桥与西塘河的右偏角为104°。大桥主桥跨径采用1-67 m，引桥标准跨径采用25 m。双湖大桥桥梁全长462.76 m，桥跨布置为(4×25)+(22.95+25+22.95+25)+(1-67)+(2×22.25+2×25)+(4×25)m。主桥采用预制拼装的钢筋混凝土系杆拱结构，引桥采用装配式预应力混凝土组合箱梁结构。

大桥建成后实景如图1所示。

2 双湖大桥主桥设计要点

2.1 总体设计构思

1)桥梁总体布置。

本桥平面位于直线段上，考虑两侧非机动车通行需求与既有道路条件，大桥桥头引道纵坡均采用2.45%，竖曲线半径R=6 000 m。为满足路桥平顺衔接的功能需求，简化桥梁结构受力并提升整体桥梁景观，大桥横向采用了三幅布置断面，如图2所示。

2)施工方案的选取。

下承式系杆拱桥的施工常用的有两种：满堂支架施工与吊装施工。不同的施工方法会导致施工和成桥阶段不同的桥梁内力分布，进而影响桥梁设计配筋，施工方案的选取至关重要。而施工方案的选取主要取决于以下因素：a.河道施工期间是否有通航要求；b.河道现状有无搭设支架条件。

针对双湖大桥工程实例，由于河道现状河水较深，水面较宽，且施工期间有通航要求，故该桥除桥面系外主受力构件采用场地预制节段吊装安装的施工方案，在河道间设临时墩并引导通航，将混凝土系梁分段吊装施工，预留通航孔，吊装施工拱肋、横梁、钢桁风撑及行车道板。

2.2 系梁设计

在系杆拱桥混凝土系梁的设计中，系梁的构造设计主要应考虑以下因素：1)横梁高度对系杆高度的影响；2)系杆压应力的控制；3)系梁梁端支座宽度对系梁宽度的控制；4)系梁在吊杆处的顶缘钢筋应绕开吊杆，不宜截断，下缘钢筋在吊杆槽口两侧适当补强钢筋。

系梁的设计计算还应注意以下方面：1)若直接通过系梁单元施加活载，应注意系梁单元的模拟需与其实际传力途径一致；2)系梁皆为分段预制，后浇湿接缝连接成整体，计算模型中应能真实反映此过程，即分阶段模拟先简支后连续过程；3)受预留通航孔的限制，系梁中间段较大，为控制系梁施工期间的应力水平与变形，应通过计算设置合适的短束满足施工期的受力要求。

2.3 吊杆设计

吊杆设计考虑如下几方面：1)刚性吊杆与柔性吊杆的选择，常见的系杆拱桥设计中，相当部分采用了柔性拉索吊杆，外套很薄的防护不锈钢套管；在实施过程中发现此种吊杆在小跨度的刚性系杆拱桥应用中有后张拉吊杆对已安装吊杆影响较大，换索相对困难等问题，故建议采用外套受力钢管的刚性拉索吊杆。2)明确吊杆施工过程中的张拉索力，大桥施工过程与成桥阶段吊杆受力差异较大，有必要根据实际施工过程的需要确定吊杆拉索的分批张拉力，依据施工阶段及成桥阶段的控制要求，一般宜做到使刚性吊杆在施工和成桥阶段始终不出现拉应力为宜。吊杆在施工阶段需能承受施工恒载及结构恒载，第一批张拉控制应力可根据每根吊杆所分担的恒载确定，并留一定的富余，最终的张拉控制应力应根据结构恒载和活载的共同作用确定。3)合理确定吊杆外套钢管的尺寸，在拟定钢管内径时应满足带冷铸锚头拉索穿过的需求，钢管壁厚的确定以换索时吊杆外套钢管能独立承受该节段恒载为原则；同时满足个别长吊杆的压杆稳定要求。4)为便于更换吊杆，吊杆在拱肋上的张拉段锚头设计宜置于拱肋上端，下端锚固于系梁下缘，并做好锚头防腐。

2.4 拱肋设计

本桥吊装施工的拱肋设计主要考虑以下几方面：1)吊装过程中不允许拱肋出现裂缝并能满足承载力要求即须合理地分段和确定每段吊点位置；2)拱肋在成桥阶段的应力水平应满足规范要求；3)为保证施工过程中拱肋钢筋的合理受力及施工过程拱轴线精度控制的需要，混凝土拱肋在湿接头处须设置半刚性铰；4)在拱肋的主筋布置时应注意由于拱肋中部钢筋在吊杆的施工过程中须截断，且在吊杆拱顶张拉端处粗钢筋恢复连接困难，考虑不计入截断的几根钢筋受力，布置拱肋主筋时应尽量布置在吊杆穿过的两侧，中间仅布置较细的钢筋，同时在截断的部位补充拱肋短筋。

2.5 横梁设计

横梁的设计应区分对待端横梁与内横梁，计算分析表明端横梁的边界更接近于固端梁，内横梁的边界则更接近简支梁。在计算横梁的活载效应时可先应用杠杆法得到单车道车辆荷载产生的效应，再采用横向加载的模式计算横梁配束或配筋。内横梁的设计宜尽量统一，支座顺桥向的设置尽量保持与端横梁形心轴一致或接近。

2.6 风撑设计

主车道主桥风撑跨径达25.1 m，常规使用的混凝土结构因吊装重量较大不利于施工，故本桥采用了轻型钢桁梁风撑，在满足受力的基础上既方便施工也能提升桥梁景观。

3 工程特色与技术亮点

1)倡导通行安全、顺畅，合理选择桥梁断面布置。

本桥位于50 m宽的城市主干道上，道路断面组成为4.0 m人行道+5.5 m非机动车道+4.25 m侧分带+22.5 m机动车道+4.25 m侧分带+5.5 m非机动车道+4.0 m人行道=50 m。

由道路断面可知桥梁结构宽度在4.25 m侧分带内布置对通行安全、通畅要求是最有利的，而单幅桥梁会造成宽跨比失调(50/67)、结构空间受力复杂等问题，三幅桥的布置形式既实现了与道路的无缝连接也解决了桥梁整体受力与景观问题。

2)精细化设计打造品质工程。

双湖路是建湖县的门户道路，双湖大桥作为双湖路上的重要节点工程，打造品质工程是时代的需求。为确保整个项目的顺利实施，从设计源头抓起，树立精细化设计理念，在主桥各构件设计中，结合受力需要，合理选择截面型式，注重细节处理。

具体精细化设计体现在以下几方面：

a.针对两侧人非桥宽度较小，选择工字型系梁截面；对车行桥的系梁，考虑到预制横梁架设时对系梁的较大的扭转作用，选择箱形截面。

b.鉴于拱脚钢筋布置复杂，设计中充分考虑钢筋位置的冲突问题。

c.鉴于车行桥主桥系梁中间段预留通航孔长度较大，通过节段短钢束解决中间节段架设时的挠曲与开裂问题。

d.针对车行桥宽桥面带来的混凝土风撑整体重量较大，吊装困难等问题，设计转换思路，采用了轻型钢桁风撑型式，既简化了施工也提升了大桥景观效果。

3)推进绿色设计理念，采用预制拼装施工工艺。

低碳环保是新时期桥梁建设的新要求，本桥全桥预制拼装工艺的提出正是基于绿色设计理念，利用工业化生产确保混凝土浇筑质量，通过预留后浇带解决预制构件间的拼接问题，通过设置拱肋半刚性铰解决主桥拱肋预制构件的临时定位。大桥引桥更是全部采用装配式的组合箱梁结构，加快了项目建设进度，保证了项目建设质量。

4)树立全寿命设计理念，采用防落梁设计，注重吊索的防腐、可更换、可维修设计。

随着近年来系杆拱桥梁事故的频发，人们越发关注此种结构在设计使用年限范围内的安全性，结构的整体性差与吊杆失效是这类桥梁事故的主要原因，在本桥中树立全寿命设计理念，采用防落梁设计，同时采用我院系杆拱桥刚性吊杆的专利设计，确保吊杆的防腐与更换的便捷性。

4 结语

本桥通过精心设计为工程的顺利实施奠定了基础，受到业主方与施工方的一致好评，同时获得了良好的社会效益与经济效益，可为系杆拱桥技术的发展提供了一定的借鉴，对推动系杆拱桥设计与施工成套技术的完善起到积极作用。