钢箱系杆拱桥结构设计与施工

卫高红

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

系杆拱桥具有建筑高度低、工程规模小、造价相对较低、造型优美且能很好地与原有道路衔接等优点，特别适用于地基条件较差、建筑高度受限的新建桥梁设计和老桥改造。同时，系杆拱桥跨越能力大、拱肋造型变化多样，能与周围环境融为一体，具有良好的景观效果。

1 工程概况

为满足繁忙的航道及大型船舶的通行，京杭运河某段提升为Ⅱ级航道，原有老桥不能满足Ⅱ级航道通航净空（100×7 m）要求，需要对其进行原位拆除重建，以尽量减少改造范围。新建桥梁采用120 m下承式钢箱系杆拱桥，顶推施工方案，最大限度地减小了对航道的影响，同时兼顾了景观效果。

2 主桥桥型方案选择

新桥属原位改建，为方便两岸居民出行，设计时考虑尽量减少其接线改造长度。航道通航净空100×7 m，考虑两侧驳岸宽度，主桥一跨过河跨径需120 m左右。在120 m跨径常见的桥梁结构形式中，主要有预应力混凝土连续梁桥、系杆拱桥及钢桁架桥等，这些结构分别在建筑高度、行车舒适性、施工难度、可维护性、景观等方面各具特色。预应力混凝土连续梁主梁高度大，改造长度长，与平交口衔接困难。主桥桥型方案主要对系杆拱桥与钢桁架桥进行比选，系杆拱桥采用钢箱或混凝土系杆。

表1 不同桥型方案比较

综合比较，钢箱系杆拱桥具有结构轻盈、建筑高度低、对原有道路改造范围小等优点，尤其是采用顶推施工可以最大限度地减小对航道的影响。综合比选选择钢箱系杆拱桥方案作为该桥设计的推荐方案。

3 结构设计

3.1 总体设计

该桥按一级公路标准设计（兼顾城市道路功能），桥梁设计荷载等级为公路-I级。主桥上部结构采用120 m跨径下承式钢箱系杆拱桥，计算跨径117.6 m，刚性系杆刚性拱，拱轴线为二次抛物线，拱肋成提篮型，使结构整体稳定性更好；同时考虑到了桥梁的景观效果，并与城市及周边建筑相协调，两侧人行道外挑；系杆及拱肋均采用钢箱结构，避免了拱脚大体积混凝土带来的病害，使结构更显轻盈；桥面系采用叠合梁结构，平行钢丝成品束吊杆。下部结构为混凝土柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。桥梁上部结构尺寸如图1所示。

图1 主桥横断面尺寸标注（单位：cm）

3.2 拱肋内倾角度确定

在满足行车净空的基础上，为最大限度地提高结构的稳定性，同时兼顾桥梁景观效果，该桥拟采用提篮拱造型。在其他因素不变的前提下，分别选取拱肋内倾0°（平行拱）、4°、8°、12°进行了结构稳定性分析。经计算，随着拱肋内倾角度的增大，整体稳定系数有增大的趋势，桥梁整体失稳均为1/4面外失稳，具体结果见表2和图2。综合稳定性计算和桥梁净空要求，该桥拱肋内倾角度选用12°。

表2 拱肋内倾角度对整体稳定影响

图2 不同拱肋倾角的一阶失稳模态

3.3 钢箱拱肋

拱肋为偏心受压构件，采用全焊箱形加劲截面，箱高2.4 m，宽1.6 m，二次抛物线线型。在竖向平面内拱肋矢高23.52 m（矢跨比1/5），斜平面内矢高24.05 m。根据受力需要，拱肋中间部分顶、底板厚20 mm，腹板厚20 mm，靠近拱脚段均采用24 mm，拱脚段加厚至30 mm。为满足局部稳定的需要，在顶、底板各设2道纵向加劲肋，腹板设4道板型纵向加劲肋，加劲肋高200 mm，厚16 mm；沿拱肋轴线方向每隔约2 m左右设一道横隔板，在有吊杆处隔板厚20～25 mm，非吊杆处隔板厚12 mm。

3.4 钢箱系杆

由于拱肋的内倾，主桥系杆采用全焊平行四边形截面，箱梁高2.0 m，宽1.6 m。系杆为偏心受拉构件，根据计算不设置系杆预应力，减少了施工难度。系杆顶、底板厚30 mm，腹板为斜腹板，厚20～30 mm，分别在顶底板和腹板设3道纵向加劲肋，加劲肋均为板形，高140 mm，厚12 mm。沿系杆中心线每3.5 m设一道横隔板，在有吊杆处隔板厚20～25 mm，非吊杆处隔板厚16 mm。

3.5 吊杆

考虑到系杆高度较低，箱内设置吊杆锚头困难，在系杆端采用叉耳式锚固装置销接在系杆上。拱肋内部设置张拉端，并设计了爬梯方便吊杆施工及检修。主桥共设置28根吊杆，吊杆纵桥向间距为7.0 m。靠近拱脚处4根吊杆采用91φ7，其余吊杆均采用73φ7高强度镀锌平行钢丝束，标准强度为1 670 MPa，PE双护层。系杆端吊杆采用吊耳销接在系杆上，拱肋端采用锚压板。锚具采用冷铸锚，桥面处锚头为固定端，拱肋处锚头为张拉端。吊杆结构如图3所示。

图3 吊杆结构

3.6 桥面系

桥面采用叠合梁结构，由中横梁、端横梁、纵梁、混凝土桥面板组成。中横梁采用工字形钢梁，顶面设置剪力钉与混凝土桥面板结合形成叠合梁。横梁上翼缘宽600 mm，板厚20 mm；下翼缘宽600 mm，厚20 mm；腹板厚16 mm。工字梁每隔1.65 m设一道竖向加劲肋，板厚12 mm，加劲肋的高度随梁高变化而变化。两道横梁之间设置1道纵梁，纵梁上翼缘宽600 mm，板厚16 mm，下翼缘宽500 mm，板厚12 mm，腹板厚12 mm，梁高为700 mm。

桥面板为预制钢筋混凝土板，厚度为25 cm，桥面采用10 cm沥青混凝土铺装层。

4 结构分析

桥梁整体计算考虑结构自重、汽车及人群活载、制动力、风荷载等作用，同时考虑整体升降温及钢结构与拉索温差对结构受力的影响，采用Midas软件进行结构计算分析。

4.1 计算结果

在基本组合作用下，考虑最不利工况，拱肋跨中最大压应力-158.3 MPa，拱脚最大压应力-166.2 MPa，系杆最大拉应力182.1 MPa，中横梁最大拉应力145.3 MPa，最大压应力-151.5 MPa，均满足规范要求[2]。

标准组合下，吊杆最小索力1 209 kN，最大索力为1 336 kN。吊杆73φ7高强度镀锌平行钢丝破断力为4 691.6 kN，安全系数达到3.5，满足受力要求。吊杆内力计算结果如图4。

图4 吊杆内力（单位：kN）

在车道及人群活载作用下，结构最大竖向位移为67.2 mm，小于规范1/500的要求[2]。计算结果如图5。

图5 活载竖向变形（单位：mm）

4.2 稳定计算结果

主桥整体稳定计算结果见表3。一阶稳定系数达到15.6，结构稳定性满足规范要求。

表3 主桥整体稳定

5 主要施工工序

5.1 施工方案构思

京杭运河航运繁忙，主桥跨航道上部结构施工首先应考虑减少对船舶航运的影响。综合考虑拱桥的各种施工方法，并对施工现场条件进行分析，选定了顶推施工方案。施工过程中，在原有桥梁上部结构拆除后，可以利用其桥墩设置支架，作为施工过程的临时支墩，方便顶推也减少了临时支架的搭设，同时减少了对通航的影响。

5.2 施工工序

a）工厂制作钢结构杆件运至现场，按系杆→横梁→纵梁→拱肋支架→拱肋及风撑→下个节段系梁、拱肋顺序进行拼装，人行道顶推完成后安装。主桥主要支点下部安装滑移体系（滑靴固定），拱肋与系梁间设置临时支撑。

b）安装顶推导梁，水中设置临时支撑（老桥桥墩位置），预留通航孔。

c）利用新建桥墩作为反力架，对岸设置牵引装置，使顶推千斤顶慢慢滑移拖拉前行，过程中监控各滑移支点的受力及整体变形。

d）通过顶推拖拉施工，将主桥钢结构顶推至设计位置。

e）拱肋与系梁改临时支撑为吊杆连接，拆除临时支架、落梁。

f）安装人行道挑梁及桥面系，成桥。

图6 主桥导梁顶推施工现场

6 施工过程分析

6.1 计算模型

主桥整体施工采用空间梁单元进行分析，计算模型如图7。顶推导梁共两根，长25 m，采用工字钢截面，Q235钢材。导梁与系杆相连一端梁高2 m，至另一端截面渐变为1.5 m。为增强导梁的横向刚度，两导梁间设置横向支撑。横撑采用钢管桁架，Q235钢材，弦杆采用Φ114×8 mm钢管，腹杆采用Φ76×6 mm钢管。

图7 总体计算模型

6.2 施工计算结果

顶推施工采用固定滑靴体系，支撑点位于支座处及拱肋与系杆支撑点下方，除支座外，另设置8处临时支撑，具体布置见图8。在顶推最大悬臂阶段，主梁结构总体应力较小，最大应力为69.5 MPa，导梁最大应力102.6 MPa，满足规范要求。

图8 顶推临时支撑布置（单位：mm）

顶推施工过程中，各支撑点反力的变化如表4。

表4 顶推过程中各支撑点反力变化 kN

从表4可以看出，施工过程中支撑点最大反力发生在支点6位置，应力达5 163 kN。选取该点进行局部有限元分析，经计算局部应力达到260 MPa。施工过程中通过对系杆腹板进行局部钢板加强，确保了顶推过程中受力安全。

7 结语

通航繁忙的航道老桥改造采用钢箱混凝土系杆拱桥、顶推施工方案，有效减小了桥梁施工对航道的影响，节约了工程造价，同时与周围环境融为一体，营造了良好的景观效果。本文的介绍与分析，将为今后同类桥梁的设计提供一些有益的借鉴。