100m跨下承式钢管混凝土系杆拱桥设计

（核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610052）

1 工程概述

某大桥的主桥跨Ⅶ级通航孔而设，采用100m 跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，桥面宽度22.3m，设置双向四车道，横向采用两平行拱肋，哑铃型截面。拱轴线型采用二次抛物线，计算矢高20m，矢跨比1/5。主桥立面布置见图1。

图1 主桥立面布置图（单位：cm）

2 主要技术标准

（1）公路等级：三级公路

（2）设计时速：30km/h

（3）设计荷载：汽车荷载：公路-Ⅰ级；人群荷载：3.0kN/m2

（4）场区地震基本烈度：6 度；地震动峰值加速度：0.05g

（5）结构安全等级：一级

3 主桥结构设计

3.1 上部结构

（1）主桥拱肋按照平行布置，采用哑铃型截面，上钢管与下钢管均采用φ1100×16mm 钢管，钢管间距1.5m，腹板采用16mm 厚钢板，间距0.6m，钢管及腹腔内均填充C50 低收缩微膨胀混凝土。

（2）在拱肋之间设置1 道一字型横撑及4 道K 字型横撑。横撑均采用φ1100×16mm 钢管，空心结构。

（3）纵向系杆采用预应力混凝土A 类结构，系杆全长103.2m，跨中梁高2.0m，梁宽1.5m，采用空心箱室截面。端部系杆为钢管拱脚锚固进行局部加宽加高。

（4）横梁采用预应力混凝土A 类结构，中横梁采用T 型截面，端横梁采用空心箱室截面。横梁梁顶沿长度方向设置2%的人字坡，梁底保持水平。

（5）桥梁桥面板采用预制板后浇筑湿接缝的形式，桥面板板厚0.3m，矩形截面。预制板纵向放置于横梁上，与中横梁及端横梁预留竖向钢筋浇筑形成整体。在板顶预留桥面铺装层连接钢筋，桥面铺装钢筋与预制板钢筋、横梁预留钢筋绑扎后浇筑桥面铺装混凝土。

3.2 下部结构

主桥下部结构采用L 型盖梁柱式墩，基础采用承台群桩基础，设计为嵌岩桩。

3.3 主体结构施工

河道现状通航流量小，且施工期可禁航，为节约建设成本，主桥系杆、横梁及拱肋钢管安装均采用支架法予以实施。

4 结构计算

4.1 拱肋结构静力计算与分析

（1）有限元模型及荷载

采用通用有限元程序MidasCivil 进行总体计算，根据对钢管混凝土截面的模拟方式，分别采用哑铃型联合截面法梁单元[1]及钢构件、混凝土双单元双肢截面法建立有限元分析模型。哑铃型截面的腹腔不计入截面受力，仅按自重荷载施加。大直径钢管混凝土约束效应差、影响因素多，所以不考虑钢管套箍作用下混凝土抗压强度的提高[3]。

图2 联合截面法拱肋模型

图3 双单元双肢截面法拱肋模型

计算荷载如下：钢材容重78.5kN/m3，混凝土容重26kN/m3，按实际截面计取，沥青砼容重24kN/m3，桥面铺装层按荷载施加；环境升降温按±25℃施加，桥面温度梯度荷载T1=14℃，T2=5.5℃；系杆温度梯度荷载T1=25℃，T2=6.7℃；哑铃型截面上下主管温差按照8℃计算；采用公路-Ⅰ级汽车荷载，按4 车道计算；人群荷载集度3.0kN/m2；风荷载按照百年一遇基本风速24.1m/s进行计算；有关荷载组合依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的规定。

（2）静力计算结果

列出了拱肋在两种建模方式下的结果对比，见表1。分析可知，组合后双单元双肢截面法拱肋刚度较联合截面法的刚度小；同时，双单元双肢截面法在模拟中增加了附加约束而造成了一部分的附加应力，最终导致了计算结果相对偏大。由于约束增加而造成附加应力，主要表现在体系升降温及截面温度梯度作用时，因此采用双单元分析时，应注意慎重对待温度荷载计算结果。

表1 拱肋两模型计算结果

另外，桥梁承载能力极限状态吊杆应力587.2MPa，正常使用极限状态系杆截面最大拉应力0.786MPa，横梁截面均处于受压状态，截面承载能力极限状态各构件作用效应组合设计值均小于构件承载力设计值。因此该桥各构件正常使用极限状态和承载能力极限状态均满足规范要求。

4.2 拱脚节点局部受力分析

采用MidasFEA 有限元分析软件，根据圣维南原理对拱脚局部节点段建立三维实体分析模型。有限元模型采用四面体网格单元，有限元模型总共69884 个单元，20907 个节点。

分别对①拱脚轴压力最大工况；②拱脚负弯矩最大工况；③系杆端部轴力最小工况；④系杆端部弯矩最大工况四种最不利荷载工况进行包络验算，得到系杆部位最大正应力6.5MPa，为工况一；拱座最大主拉应力2.4MPa，为工况四；拱座最大主压应力16.7MPa，为工况三。

图4 工况四 主拉应力云图

图5 工况三 主压应力云图

设计中，根据节实体分析结果，按照应力图形配筋法[5]对拱脚圆弧变截面位置主拉应力较大区域进行了配筋设计。

3.3 稳定性计算与分析

一般对于跨度大于300m 的钢管混凝土拱桥，采用二类非线性稳定分析，本文的计算分析中以一类弹性稳定分析为主。考虑到拱肋钢管安装及灌注在支架法条件下实施，仅对结构在运营阶段恒载、活载、温度等荷载作用下，进行了稳定分析，结果如下表所示。

表3 运营工况下的稳定系数及失稳特征

对于下承式拱桥，当拱肋侧倾时，柔性吊杆会对其产生水平恢复力，有抑制拱倾斜的作用，这种非保向力会有效提高拱肋稳定性[2][4]。基于稳定分析结果，可以认为桥梁结构的整体稳定满足要求。

5 结语

（1）钢管混凝土材料应用于以受压为主的构件中，钢管内的混凝土能有效阻止钢管向内变形，增强钢管抵抗局部屈曲能力，组合截面整体刚度增大，整体稳定性也大幅提高，较之钢构件和混凝土构件均有很大的优越性。

（2）对哑铃型钢管混凝土拱肋分别采用了联合截面法与双单元双肢截面法进行了模拟，通过验算对比显示双单元双肢截面法计算结果略偏大，主要由于在拱肋结构中增加了附加约束造成应力增加。

（3）通过建立拱脚局部三维实体分析模型，分析构件不利主应力区域，并通过设计配筋予以加强。拱脚连接节点多向荷载共同作用，结构受力复杂，设计时应予以重视。

（4）应注意拱桥在建造过程与运营阶段的失稳问题。合理设置横撑的布置形式及实施阶段，能有效提高全桥的空间弹性一类稳定性。