某特大跨径钢管混凝土拱桥总体设计

2022-06-25刘朝晖刘雪松王宏贵黄列夫

水电站设计 2022年2期

秦波，赵玄，刘朝晖，刘雪松，王宏贵，黄列夫

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

0 前言

钢管混凝土拱桥除具有优越的拱结构力学性能外，也是一个最佳的钢-混组合结构。钢管因管内混凝土的支撑，提高了抗局部屈曲能力，混凝土因钢管的套箍作用，增大了韧性和强度。这样一种最佳材料组合的理想结构桥梁，由于受力合理、施工方便、跨越能力大、经济指标好等优点，近年来在全国得到了广泛应用，全国跨径大于50m的钢管混凝土拱桥超过了400座［1］。

该研究以某特大桥为背景，分析探讨特大跨径钢管混凝土拱桥总体设计中具体问题与要点。

1 工程概况

某特大桥是一座横跨大型流域的公路／市政景观特大型桥梁。主要技术标准如下——

道路等级：城市主干路／一级公路；

设计速度：60km／h；

汽车荷载：城-A级设计，按公路-Ⅰ级验算；

人群荷载：3.5kN／m2；

行车道数：双向6车道＋非机动车道＋人行道；

通航等级：内河Ⅲ级航道，最小通航净空为130m×18.0m（净宽×净高）。

2 桥式选择

2.1 孔跨布置及桥长

建设方案必须充分考虑现实条件，因地制宜，解决好施工可行及便利性、满足防洪及通航要求、满足交通功能、环保、景观性较好的问题。结合本项目建设条件，对本桥孔跨布置产生制约的有两大条件，即本桥址通航要求及国家级珍稀鱼类保护区要求。

一是受通航要求限制，桥位处为内河Ⅲ-（3）级航道，最小通航净宽130m，最小通航净高18.0m，考虑到斜交角度、横向流速等因素，参考下游3.3km处既有大桥，主跨需按不小于230m考虑。二是该处为国家级珍稀鱼类保护区，根据鱼评要求，跨江桥梁桥墩宜布置于十年一遇水位线以上，桥位十年一遇水面宽度约396m，考虑结构尺寸及施工因素，主桥跨径不宜小于410m。综合考虑，主桥桥跨主要受鱼评要求控制，故推荐采用单跨410m一跨过江方案。

桥梁长度受两岸相交道线位及行车净空控制，两岸相交道路基外侧间距约625m，本桥与两个城市道路立体交叉，引桥上跨两岸相交道后顺接引道，桥梁全长约648m。

2.2 桥梁结构形式选择

桥梁结构的确定首先主要由桥跨大小决定，其次与桥下通航净空等有关，再者还与桥位现状建设条件及施工工艺相关。

主跨对桥型方案起决定性作用，鉴于鱼评要求，本桥推荐采用一跨过江方案，主跨约410m。连续刚构桥跨度在200～300m之间，目前世界最大跨度为330m，无法一跨过江，故连续刚构桥不适合本桥位；斜拉桥有边中跨比限制，边中跨比通常取0.3～0.5，若一跨过江，本桥位边跨没有布置空间，边跨最大可布置长度约55m，边中跨比为0.13，不满足斜拉桥受力体系要求，若水中布墩，则不能满足鱼评要求，故斜拉桥也不适合本桥位；因此，适合本桥位条件的主要有悬索桥和拱桥方案，从景观、经济性等角度分析比较推荐采用拱桥方案。

综合考虑桥面高度及桥位地形条件，桥梁结构形式采用中承式钢管混凝土拱桥，桥型桥跨布置如图1所示。

图1 桥型布置示意（单位：尺寸，mm；标高，m）

3 钢管混凝土主拱设计

3.1 拱轴线选型

在拱桥的设计中，拱轴线的选取决定着主拱的内力分布，影响着拱桥的施工安全性、结构耐久性、经济合理性等指标，因此选择合理的拱轴线是拱桥设计中最重要的工作之一。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的拱圈压力线相吻合的拱轴线，这时主拱截面上将只有轴向压力，而无弯矩及剪力作用，能够充分利用材料性能。但是在桥梁的实际运营状况中，拱桥不仅受到恒载的作用，还会受温度、收缩徐变及活载的影响，使得很难实现拱轴线和压力线的始终吻合［2］，因此在实际设计中，通常以“主拱弯矩尽可能的小”作为合理拱轴线的选取标准。常见的拱轴线类型有圆曲线、抛物线、悬链线等。对于钢管混凝土拱桥而言，其拱圈自重较小，一般选取较小拱轴系数的悬链线。目前国内已建成或在建的大跨钢管混凝土拱桥的拱轴系数和矢跨比如表1所示。

表1 部分大跨径钢管混凝土拱桥拱轴

分析国内已建成的400m以上钢管混凝土拱桥，其矢跨比选取一般在1／4～1／5之间，拱轴系数选取在1.30～1.50之间，因此，以此为筛选范围，通过对比不同拱轴系数下主拱受力情况，从而确定合理的拱轴线形。

《公路钢管混凝土拱桥设计规范》［3］中的钢管混凝土构件单管承压承载力计算公式如式（1）所示：

式中：φl为长细比折减系数；φe为弯矩折减系数；Kp为钢管初应力折减系数；Kd为混凝土脱空折减系数。可以看出，钢管混凝土构件的承载能力于其所受弯矩和钢管内初应力大小有着直接的关系。

图2和图3给出了随着拱轴系数的增大，主拱上下弦杆中的最不利内力变化和安全系数的变化。可以看出随着拱轴系数的增大，上下弦杆中的弯矩均呈现出先减小后增大的规律，与之对应的，上下弦杆的最小安全系数也出现了先增加后减小的规律。从图3可以看出，当拱轴系数小于1.68时，整体弦杆最小安全系数取决于下弦杆，且在拱轴系数为1.45附近时达到最大值，因此结合相关已有工程及计算结果，最终选取矢跨比1／4，拱轴系数1.45的拱轴线型。

图2 弦杆最不利内力及初应力示意

图3 弦杆安全系数变化

3.2 主拱断面及结构形式

钢管混凝土拱桥常用的断面形式有单圆管、哑铃型及桁式拱肋等几种，单圆管和哑铃型拱肋常用于跨径小于120m以下的桥梁，对于跨径超过120m的钢管混凝土拱桥，其拱肋形式常采用桁式拱肋，跨径超过300m后，基本上都采用变截面桁式拱肋。

关于拱肋高度的确定，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中给出了相应的计算公式，如式（2）所示：

变截面桁式主拱，拱脚截面高宜取1．4H～1.6H，拱顶截面高宜取0．6H～0．9H，参考此公式，本桥的拱肋高度取值范围为拱脚12.6～14.4m，拱顶5.4～8.1m。

综合对比同等跨径中承式钢管混凝土拱桥截面高度，选定截面高度取值范围为拱脚13.0～14.5m，拱顶5.5～8.0m。在该范围内综合对比不同截面高度取值的主拱受力情况，从而确定合理的拱顶和拱脚截面高度。

如图4和图5所示，当拱脚在13.0～14.5m范围内变化时，主拱弦杆最小安全系数取决于下弦杆的最小安全系数，且随着拱脚高度的增大而变小，因此在取值范围内，拱脚高度13.0m最为合适。

图4 弦杆最不利内力及初应力示意

图5 弦杆安全系数变化

如图6～7所示，当拱顶高度在5.5～6.7m的范围内变化时，主拱弦杆安全系数取决于上弦杆最小安全系数，拱顶高度超过6.7m后，主拱弦杆安全系数取决于下弦杆最小安全系数，整体弦杆安全系数呈现出先上升后下降的趋势，在7.0m附近为最大，因此在取值范围内，拱顶高度7.0m最为合适。

图6 弦杆最不利内力及初应力示意

根据上述分析结果，确定的合理主拱截面为：拱脚截面高13m，拱顶截面高7m；拱肋宽度取3.5m，拱肋弦杆直径取1.4m；上弦杆选用30mm和24mm 2种壁厚，下弦杆采用34mm、30mm、28mm、24mm共4种壁厚，从拱脚至拱顶变厚。主拱弦杆之间通过平联、竖向腹杆及斜向腹杆连接。拱肋截面如图8所示。

图7 弦杆安全系数变化

图8 拱肋截面示意（单位：mm）

3.3 横撑形式及布置

在钢管混凝土拱桥中，横撑是维持其横向稳定性的重要构件，目前常用的横撑形式有K撑、X撑和L形撑等，如图9～11所示。

图9 K撑示意

图10 X撑示意

图11 L形撑

项目对比了这几种常见横撑的稳定性，如表2所示。可以看出，在相同的布置方式下X撑稳定性最高，K撑其次，L形撑最差。

表2 不同横撑稳定系数

但除横撑形式外横撑的布置位置对钢管混凝土拱桥的稳定性也有着比较重要的影响，由于为了保证右岸桥面上有足够的净高，采用K撑和X撑时，在拱梁交接段一定范围内无法设置横撑，存在较长的自由长度，导致这里是稳定的薄弱点，如图12所示。

图12 X撑布置立面示意

L形撑仅需要在上弦杆处布置斜撑，因此在拱梁交接段也可以布置一道横撑，如图13所示。采用新的布置方式后稳定分析结果如图14所示，可以看出，增加的一道横撑将稳定系数由4.481提升到了5.838，大于设置K撑和X撑时的稳定系数。因此，本项目选用L形横撑。

图13 L撑布置平面示意

图14 稳定分析结果

4 主梁结构及桥面板形式

钢管混凝土拱桥主梁形式众多，目前《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定中承式和下承式钢管混凝土拱桥必须采用连续结构体系，桥面梁可采用钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、钢或钢-混组合等结构，对于跨径大于300m的钢管混凝土拱桥，宜采用钢或钢-混组合结构桥面梁。因钢-混组合结构力学性能与经济性好，故本项目主梁选择采用钢-混组合梁。

对于钢-混组合梁中的钢梁形式，设计中比选了桁架梁和格子梁2种结构形式，对其各自的优缺点进行了综合分析（见表3），格子梁与桁架梁用钢量指标相当，但考虑到桁架梁梁高较高，景观效果差，且施工复杂，因此本项目钢-混组合梁中钢梁采用格子梁形式。

表3 主梁钢结构形式比选

主梁桥面板采用钢-混组合桥面板，在格子梁上满铺钢底板，其上再浇注钢纤维混凝土的形式。钢底板形式目前通常采用平板和波形板，相较于平板，波形板稳定性更好，刚度大，可同时作为底模使用，因此钢底板采用波形板的形式。

5 耐候钢在主拱和主梁的应用

耐候钢在大气中表面会逐渐形成致密且附着性很强的保护膜，能够阻碍锈蚀向内部进一步扩散和发展，保护锈层下的基体，有效减缓腐蚀速度。

耐候钢具有良好的抗腐蚀性能以及较普通结构钢更高的力学性能。免涂装耐候钢桥梁已在欧洲多国和美国、日本广泛应用，中国免涂装耐候钢桥梁发展还处于萌芽阶段［4］。与普通钢材相比，能够降低建设期和全寿命周期成本，且有利于环境保护，将耐候钢用于桥梁建设可以带来非常大的效益。

本项目主桥钢管混凝土拱桥主拱和主梁用钢量大，总用量约1.4万t，从项目建设期到运营期全寿命周期成本来分析，免涂装耐候钢与普通结构钢相比，可节约10%～15%的建设成本，节约20%以上的全寿命周期成本。因此，经过比选分析，本项目主拱和主梁结构用钢均采用耐候钢，牌号选用Q355qDNH。预计可节约全寿命周期成本4000万元以上。

本项目主拱和主梁按免涂装高强度耐候钢设计，设计中重点关注以下设计要点：

（1）耐候钢与混凝土接触面进行底漆处理，涂层的厚度不应低于100μm。

（2）耐候钢焊接所用焊接材料的选择须与母材性能匹配与成分匹配的耐候焊接材料。耐候钢焊接接头疲劳性能是研究人员及设计人员容易忽视的问题，而焊材选择、焊接工艺和焊缝力学性能是焊缝质量关键的控制因素，设计人员应对此提出明确的要求。

（3）钢结构连接螺栓选用耐候高强螺栓。

（4）免涂装高强度耐候钢适宜用于偏远和经济欠发达等后期养护不便地区，城市桥梁对景观要求高，可以考虑涂刷装饰性面漆，涂装的颜色应与免涂装耐候钢预期的最终颜色相协调。