一座无加劲弦连续钢桁拱桥结构设计与施工

陈耀军，王亚萍，刘甜甜，陈正星

(1.台州市城乡规划设计研究院有限公司 台州市 317700； 2.台州市交通勘察设计院有限公司 台州市 317700；3.浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310000； 4.浙江公路水运工程咨询有限责任公司 杭州市 310006)

1 工程概况

某跨河连续钢桁拱，孔跨布置为57m+152m+57m，梁端距离边支座中心1m，全长268m，见图1。两片主桁，主桁横向间距24m，双向6车道+两侧人行道，节间长度9.5m，边跨设置6个节间，中跨设置16个节间，下拱肋采用二次抛物线，矢跨比为1/4，拱肋推力由系梁及钢桥面承受，对外无推力；中跨吊杆采用纵向双吊杆设计，全桥共设置60根吊杆；该桥建成后不仅能满足交通功能要求，还能对提升桥位处的整体景观起到积极作用。

图1 连续钢桁拱桥型布置图

2 主桁设计

常规连续钢桁拱在中支点位置设置加劲弦[1]，加大中支点桁高，保证施工及运营期间杆件受力，如图2，本桥若采用加劲弦桁式，中支点处支座及钢结构均有防水要求，本桥百年水位181.12m，若采用中支点设置加劲弦桁式，需将主桥线路整体抬高，引桥加长，主桥两侧引桥各需增加约260m，增大线路投资。因此本桥采用无加劲弦连续钢桁拱设计，见图3，孔跨布置为(57+152+57)m，双向6车道+每侧2m宽人行道。

图2 加劲弦连续钢桁拱方案

图3 无加劲弦连续钢桁拱桥方案

(1)主桁片数选择

6车道+两侧2m人行道桥宽需求，主桁片数可以采用两片主桁、3片主桁或者分幅设计。

①两片主桁受力特点

行车通透性较好，两片主桁受力对称、制造便利，但横梁跨度大，为了减小横梁受力，将人行道设置在主桁外侧，主桁横向间距为24m，横梁可以通过变高设计使横梁与下弦杆件连接匹配，用钢量相对较省。

②3片主桁受力特点

桥梁总宽度需要增加中间主桁构造宽度，行车视野被中桁受限较差；横梁由3片主桁支撑，跨度减半，受力较小，可以轻松与下弦匹配；3片主桁施工繁琐、中桁与边桁受力不一致增加构造及制造难度，3片主桁适用于车道数较多的市政公路超宽桥或者活载较大的铁路桥[2]。

③分幅设计

横梁宽度类似于3片主桁设计，但需要4片主桁，上部结构用钢量大增，同时基础费用也增加；

本桥综合用钢量、制造难度、施工难度及构造连接便利，最终确定采用两片主桁。

(2)主桁桁高及矢跨比

下拱肋节点线形位于二次抛物线上，最长吊杆38m，矢跨比1/4；边跨及中跨桁拱变桁高设计，中跨上拱肋及边跨上弦节点线形通过2个曲线圆润过渡，为预留桥门架位置净空要求，边支点桁高10m，中支点桁高21.3m，拱顶桁高6m。

(3)节间长度及主桁桁式

为保证横梁纵向影响线长度不过长，纵梁计算跨度不过大，同时保证主桁杆件交角最大不超过60°，最小不小于25°，节间长度设置为9.5m，边跨6个节间，中跨16个偶数布置的节间，便于制造厂对称制造降低难度，采用N型桁式。

(4)主桁杆件截面布置

边跨上弦、下弦、中跨上拱肋、下拱肋均采用箱型杆件，杆件名称见图4，腹板大部分采用H型杆件，受力较大的压杆为减小面内长细比采用箱型杆件，全桥杆件内宽720mm，上弦内高720mm，下弦内高1260mm，下拱肋杆件根据受力程度变高设计，从拱顶最小720mm内高增加到拱脚最大1080mm内高；工字型腹杆翼板宽度630mm。

图4 主桁构件名称示意图

(5)主桁节点形式及杆件连接

为减少用钢量及降低现场施工时间，主桁采用整体节点，杆件之间采用螺栓连接，主桁上下弦杆、拱肋采用4面对拼，工字型腹杆采用3片对拼。

3 钢桥面设计

本桥为对外无推力拱，因此采用受拉性能好的钢桥面，拱肋推力由中跨系梁及钢桥面承受。钢桁拱桥面通常采用密布横梁钢桥面[3]，本桥由于桥宽，为节省钢桥面用钢量，采用纵横梁+小横肋正交各向异性钢桥面形式，桥面构件的设置引导桥面传力途径有：钢桥面—U肋—横梁—节点；钢桥面—U肋—横肋—纵梁—横梁—节点；钢桥面—U肋—横肋—下弦—节点。

(1)钢桥面板及纵向加劲肋

主桁之间设置16mm厚钢桥面板，为了减小横梁面外受力，桥面板与主桁下弦伸出肢相连形成连续板桁结构；车行道范围设置高300mmU肋进行纵向加劲，U肋横向间距600mm，横梁横肋开口保证U肋连续通过。

(2)节点横梁

节点位置设置一道节点横梁，见图5，横梁采用倒T型截面，变高设计，横梁端部高1260mm，与下弦等高便于连接；跨中弯矩较大区域加高到2600mm，下翼板宽740mm，厚度32mm。

图5 节点横梁断面布置图

(3)纵梁

全桥设置6道纵梁，纵梁横向间距3.3m，纵梁采用倒T型截面，纵梁高度1200，横梁开孔保证纵梁连续通过，纵横梁相交位置纵梁底板下方设置牛腿，保证弯矩传递。

(4)节间横肋

为了减小U肋第二体系，横梁之间设置2道横肋，横肋采用倒T型截面，横肋高度840mm，由下弦及6道纵梁支撑，减小横肋计算跨度从而减小横肋用钢量，横肋与纵梁相交位置设置牛腿保证弯矩顺利传递。

图6 节间横肋断面布置图

4 吊杆设计

为减小用钢量，本桥采用柔性吊杆。由于吊杆为20年使用寿命的可更换杆件，为便于后期吊杆更换，同时增加意外断索结构安全度，采用双吊杆设计，后期更换吊杆不需要中断交通。结合下拱肋及下弦节点构造，采用纵向双吊杆，吊杆纵向间距630mm，见图7。吊杆与下拱肋、下弦节点板采用高强螺栓连接便于后期更换，下拱肋侧为固定端，下弦侧为张拉端，通过下弦检查车便于吊杆更换后张拉，张拉空间不受限制。下弦顶底板均开孔同时通过水平板补强下弦受力面积。

图7 纵向双吊杆布置图

5 联结系设计

为增加两片主桁整体性，保证主桁面外稳定，同时抵抗风力等水平力，本桥设置平纵联及横联，见图8。

图8 联结系布置图

(1)平纵联设计

本桥设置下平纵联及上平纵联，上平纵联设置在边跨上弦及中跨上拱肋杆件上，下平纵联设置在中跨下拱肋杆件上，由于节间长度小，两片主桁间距大，因此采用米字型平纵联布置；中跨第一节间下平联因为净空要求不能满节间设置。

(2)横联设计

边支座位置设置桁架桥门架，中间隔节间设置一道横联，横联采用v型斜杆，中间设置直竖杆保上平纵联面外计算长度不过大，中支点桁高较大，采用双层横联，其余均采用单层横联设置。

6 施工方案

本桥施工方案为先边跨后中跨，结合履带吊利用临时墩拼装边跨，中跨先拱肋后桥面。

(1)在两岸设置预拼场，进行主桥基础和墩身的施工，同时进行边跨临时支墩施工，在边墩设置起落梁及纵横向移梁设施；在中墩设置纵横向移梁设施。

(2)安装边墩临时支座，利用履带吊安装边跨钢梁两个节间。

(3)利用履带吊借助临时墩架设边跨钢梁至中墩，边跨主桁、桥面系、联结系均安装，中支座就位；锁定中墩支座纵向水平位移，两侧进行压重，保证施工期间纵向抗倾覆。

(4)利用履带吊继续悬拼中跨拱肋，桥面与系梁不安装，继续架设钢梁至中跨中，预留合龙口；通过两侧边支座落梁、纵移梁，使合龙口达到合龙要求,依次合龙桁拱下弦杆、桁拱斜杆、桁拱上弦杆，再连接平横联杆件。

(5)吊装中跨系梁、桥面及吊杆至中跨合龙口，微调压重与边支座顶落梁位移使系梁合龙口达到合龙要求,拼装合龙口系梁和桥面板。

(6)边支座上抬，安装永久支座，拆除压重。

(7)安装桥面铺装、栏杆、人行道，施工检查设施，涂装最后一道面漆，成桥。调整索力使索力和高程均达到设计要求，进行动静载试验。

7 结语

本桥为无加劲弦市政连续钢桁拱，杆件纵多，结构复杂，同时桥宽大横向受力要求高，主桁、桥面系、联结系、吊杆各个组成部分相互影响制约，设计上需要统筹考虑：

(1)主桁片数、节间长度需要考虑桥面及联结系的布置。

(2)本桥为市政宽桥提供一种结构新颖、用钢经济的桥面体系。

(3)为增加钢桁拱安全系数、便于后期更换吊杆及更换吊杆时减小交通影响，建议采用双吊杆布置。

(4)本桥为节间长度较小、桁宽较大钢桁梁、钢桁拱提供一种联结系布置模式。