主跨120 m 下承式钢管混凝土系杆拱的设计与施工

■蒋 义

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

下承式钢管混凝土系杆拱外形美观，拱肋、吊杆、系杆的组合具有结构自重轻型、跨越能力强、建筑高度低等特点，但系杆拱缺点也较为凸出，桥梁运行期结构病害较多，吊杆养护更换、结构整体稳定性差等，严重影响行车的舒适性与安全性。 因此， 减少系杆拱桥梁病害的产生对于桥梁设计和养护管理工作者是一项非常重要的工作。 为提高结构整体稳定性能， 本研究针在设计阶段提出采用4 道K 型风撑加一道1 字型风撑组合形式，进行结构设计分析研究， 同时对各构件安全性进行了验算。

1 工程简介

新建大桥起点桩号为K0+000，路线由西向东，上跨京杭运河(内河限制性Ⅲ级90×7 m)航道，终点与村道相接， 终点桩号为K1+540， 路线全长1.54 km，桥长440 m，本桥平面位于直线上，纵断面采用2.5%双向纵坡，横断面采用2%双向横坡,桥梁跨径为（13×20+120.0+3×20）m。 本项目建设对于解决运河两岸居民出行、完善路网结构，加强区域沟通具有重要的意义，桥梁荷载等级：公路Ⅰ级，设计时速40 km/h,桥梁宽度为10.5 m。

2 结构概述

京杭运河大桥主跨为下承式钢管砼系杆拱桥，采用柔性吊杆， 系杆轴线为R=4 000 m 的圆曲线，拱肋轴线方程为f=4fx(L-x)/L2，计算跨径L=120 m，计算矢高f=24 m，矢跨比为1∶5。拱肋采用哑铃型钢管混凝土，截面高2.4 m；拱肋钢管外径1.0 m，钢管壁厚16 mm，内充C50 微膨胀混凝土；拱肋腹腔壁厚16 mm，内充C50 微膨胀混凝土。 全桥横向设置一字型风撑3 道，K 型撑2 道， 横向风撑钢管壁厚10 mm； 吊杆索体采用1 860 MPa 级15 根Φs15.2 mm 环氧喷涂无粘结钢绞线缠包后热挤PDHE，桥面以上2 m 高度外包不锈钢套管，共设吊杆22 对，吊杆间距5.1 m；系梁采用实心截面，系杆截面梁高2.2 m，宽1.4 m，拱脚段系梁加厚至梁高3.8 cm，宽1.8 m；端横梁采用箱型断面，支点处高1.98～2.06 m，宽2.5 m；中横梁高为1.1～1.184 m，宽0.9 m；桥面2%双向横坡由横梁两端安装高度的变化进行调整；系梁和横梁均为预应力结构；拱脚设计劲性骨架。

每根系梁内设永久预应力束（体内束）16 束，单束钢绞线15Φs15.2 mm， 端横梁每根布设6 束10Φs15.2 mm 钢绞线， 中横梁每根布设4 束7Φs15.2 mm 钢绞线，两端张拉每束钢绞线的张拉控制应力均为1 395 MPa。

主桥行车道板采用17 cm 现浇叠合板+18 cm预制板拼装先简支后连续钢筋混凝土结构，预制中板宽99.5 cm， 预制边板宽119 cm， 现浇铰缝宽1.0 cm。 现浇叠合板上设置防水层，然后再铺10 cm沥青混凝土。 桥梁立面图见图1。

图1 桥梁立面图

3 结构设计荷载与组合

主桥系梁、端横梁、中横梁按A 类预应力砼构件设计，其他构件按普通钢筋混凝土构件设计[1]。

3.1 计算荷载

（1）一期恒载：按实际结构自重取值,钢材容重78.5 kN/m3混凝土容重26 kN/m3。 （2）二期恒载：桥面铺装16.8 kN/m，防撞护栏10 kN/m。 （3）汽车荷载:汽车荷载按公路I 级。（4）拱肋、吊杆、系梁、护栏考虑风荷载：1/100（无车）和桥面风速25 m/s（有车）两种工况参与荷载组合[2]。

3.2 材料参数

混凝土：C50 混凝土（用于主拱、系梁、横梁），主要力学性能指标: （1）材料:C50 混凝土；（2）弹性模量:Ec=3.45×104MPa；（3）混凝土轴心抗压、抗拉强度标准值: fck= 32.4 MPa、 ftk=2.65 MPa；（4）混凝土轴心抗压、抗拉强度设计值:fcd=22.4 MPa、ftd=1.83 MPa。

预应力钢材：吊杆、系梁、横梁及引桥上构预应力采用φ15.2 mm 的高强度低松弛钢绞线， 其主要力学性能指标：（1）材料:预应力钢绞线；（2）弹性模量: Ec=1.95×105MPa；（3）预应力钢绞线抗拉、抗压强度设计值: fpk=1860 MPa、ftd=1260 MPa。

3.3 荷载组合

针对不同的极限状态组合进行计算和验算时，各个荷载作用的组合分项系数按JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》[3]取值。

4 结构空间静力计算

4.1 结构模型

主桥结构总体静力计算采用Miads Civil 2015程序[4]建立空间杆系模型。 拱肋、风撑、系梁、横梁采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟,按实际支座情况加上边界条件。 结构计算模型见图2。

图2 结构计算模型

4.2 计算结果

4.2.1 主桥成桥阶段内力测算

成桥状态下主桥拱肋、 系杆轴力图见图3；拱肋、系杆剪力图见图4；拱肋、系杆弯矩图见图5；拱肋、系杆弯矩图见图6。

图3 成桥状态下主桥拱肋、系杆轴力图

图4 成桥状态下主桥拱肋、系杆剪力图

图5 成桥状态下主桥拱肋、系杆弯矩图

图6 成桥状态下主桥吊杆轴力图

4.2.2 主桥拱肋承载力验算

基本组合作用下主桥拱肋轴力包络图见图7；拱肋剪力包络图见图8；拱肋弯矩包络图见图9。

图8 基本组合作用主桥下拱肋剪力包络图

图9 基本组合作用下主桥拱肋弯矩包络图

根据JTG D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中5.3.2 条[5]，哑铃型拱肋按偏心受压构件计算其承载力时，应满足：

经计算，fsc=63.54 MPa，Asc=0.7854 m2，Kp=0.956，Kd=0.95，拱肋的承载能力计算结果见表1。

表1 主桥拱肋承载能力计算结果

4.2.3 主桥系梁抗裂验算

短期组合作用下主桥系梁上缘最大拉应力包络图见图10；系梁下缘最大拉应力包络图见图11。

图10 短期组合作用下主桥系梁上缘最大拉应力包络图

图11 短期组合作用下主桥系梁下缘最大拉应力包络图

由上述结果可知，混凝土系梁按部分预应力A类构件设计，短期组合下系梁上下缘均未出现拉应力，满足规范要求。

4.2.4 主桥系梁压应力验算

标准组合作用下主桥系梁上缘最大压应力包络图见图12； 系梁下缘最大压应力包络图见图13。

图12 标准组合作用下主桥系梁上缘最大压应力包络图

图13 标准组合作用下主桥系梁下缘最大压应力包络图

由上述结果可知，标准组合作用下系梁上缘最大压应力为-15.8 MPa， 下缘最大压应力为-12.9 MPa，小于规范限值16.2 MPa，满足规范要求。

4.2.5 主桥中横梁抗裂验算

短期组合作用下主桥中横梁上缘最大拉应力包络图见图14； 横梁下缘最大拉应力包络图见图15。

图14 短期组合作用下主桥中横梁上缘最大拉应力包络图

图15 短期组合作用下主桥中横梁下缘最大拉应力包络图

由上述结果可知，混凝土中横梁按部分预应力A 类构件设计，短期组合下中横梁上下缘均未出现拉应力，满足规范要求。

4.2.6 主桥中横梁压应力验算

标准组合作用下主桥中横梁上缘最大压应力包络图见图16； 横梁下缘最大压应力包络图见图17。

图16 标准组合作用下主桥中横梁上缘最大压应力包络图

图17 标准组合作用下主桥中横梁下缘最大压应力包络图

由上述结果可知，标准组合作用下中横梁上缘最大压应力为-8.6 MPa， 下缘最大压应力为-11.8 MPa，小于规范限值16.2 MPa，满足规范要求。

4.2.7 主桥端横梁抗裂验算

短期组合作用下主桥端横梁上缘最大拉应力包络图见图18； 横梁下缘最大拉应力包络图见图19。

图18 短期组合作用下主桥端横梁上缘最大拉应力包络图

图19 短期组合作用下主桥端横梁下缘最大拉应力包络图

由上述结果可知，混凝土中横梁按部分预应力A 类构件设计，短期组合下中横梁上下缘均未出现拉应力，满足规范要求。

4.2.8 主桥端横梁压应力验算

标准组合作用下，主桥中横梁上缘最大压应力包络图见图20； 横梁下缘最大压应力包络图见图21。

图20 标准组合作用下主桥端横梁上缘最大压应力包络图

图21 标准组合作用下主桥端横梁下缘最大压应力包络图

由上述结果可知，标准组合作用下中横梁上缘最大压应力为-3.5 MPa， 下缘最大压应力为-5.1 MPa，小于规范限值16.2 MPa，满足规范要求。

4.2.9 吊杆计算

依据JTG-T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》，标准组合作用下，运营状态下吊杆的安全系数应不小于2.5。

图22 标准组合作用下吊杆最大拉力

4.2.10 主桥结构刚度验算

活载作用下主梁拱肋竖向最大挠度见图23；拱肋竖向最小挠度见图24；桥面系竖向最大挠度见图25；桥面系竖向最小挠度见图26。

图23 活载作用下主梁拱肋竖向最大挠度

图24 活载作用下主梁拱肋竖向最小挠度

图25 活载作用下桥面系竖向最大挠度

图26 活载作用下桥面系竖向最小挠度

由上述结果可知，汽车活载产生的拱肋最大竖向位移为4.5 cm

4.2.11 结构整体稳定分析[6]

成桥阶段考虑恒载及活载作用，计算求得结构前3 阶失稳模态见图27～29。

图27 成桥阶段一阶失稳模态

图28 成桥阶段二阶失稳模态

图29 成桥阶段三阶失稳模态

由上述结果可知，前3 阶失稳模态均为拱肋横桥向的反对称、 对称弯扭失稳， 一阶稳定系数为4.4，满足规范稳定系数大于4 的要求。

5 施工方案

主桥上部结构采用少支架施工方案，施工期间预留通航孔确保航道的正常通行。 具体施工步骤如下：

（1）浇筑主墩灌注桩，现浇承台、立柱、盖梁、安装主桥支座， 调整好支座高度并注意支座滑动方向，保证支座水平，并在同一平面上。 施工支架的临时防撞钢管墩见图30。

图30 主桥施工流程示意图

（2）搭设系杆、横梁支架。 搭设支架预留2 个通航孔,通航孔净空满足要求，支架两侧应设置钢管防撞墩以及信号设施，支架要求足够牢固，并通过超载预压以满足施工要求。 在支架上现浇4 个拱脚及两根端横梁。 待现浇混凝土达到设计强度后，吊装预制好的系梁预制节段，现浇系杆接头砼。 拼装中横梁，并浇注中横梁现浇接头。 待现浇接头混凝土达到设计强度要求，张拉系梁部分预应力束，然后张拉横梁部分预应力束灌浆封锚（图31）。

图31 主桥施工流程示意图

（3）搭设拱肋安装支架，要求满足强度、刚度、稳定性。 钢管拱肋节段从工厂运至工地，分段安装钢管拱肋，钢管拱拼装后安装拱肋间的风撑。 泵送法灌注拱肋钢管内混凝土，灌注顺序为：先下钢管，然后上钢管,最后腹腔,见图32。

图32 主桥施工流程示意图

（4）待钢管内混凝土达到设计强度后,拆除拱肋支架,对称安设各吊杆，并对吊杆进行初步收紧。进行吊杆第1 次张拉， 张拉力为每根270 kN;张拉要求以跨中为对称进行， 并不断调整其索力，使每根吊杆张拉力达到设计要求，保持吊杆索力均衡。 安装预制桥面板。 张拉系梁的部分预应力束，张拉横梁部分预应力束，灌浆封锚。 进行吊杆的第2 次张拉，每根吊杆的张拉力为540 kN，张拉顺序同第1 次张拉。 现浇护栏，浇注桥面板铰缝及现浇接头，铺筑桥面现浇叠合板及沥青桥面铺装。进行吊杆第3 次张拉，吊杆张拉力为790 kN，对各吊杆索力进行检测, 满足设计要求方可灌浆封锚,见图33。

图33 主桥施工流程示意图

（5）检查吊杆索力，要求与成桥吊杆索力误差不大于5%。吊杆两端进行灌浆以及浇筑封端砼。拆除桥面下临时支架及钢管防撞墩。 安装伸缩缝，完成全桥施工,见图34。

图34 主桥施工流程示意图

6 结论

本研究下承式钢管混凝土采用4 道K 型风撑加一道1 字型风撑组合形式，前3 阶失稳模态均为拱肋横桥向的反对称、对称弯扭失稳，一阶稳定系数为4.4＞4，满足规范稳定系数要求。 相比全部采用1 字型风撑结构整体稳定性显著提高。 施工期需确保钢管混凝土填充密实， 增强钢管混凝土的强度。 拱桥吊杆容易疲劳破坏，应加强后期管养工作，对损伤吊杆及时更换。 本研究下承式钢管混凝土设计分析可以作为同类桥梁借鉴与参考，希望能给同类桥梁的建设提供一些宝贵的经验。