某单跨100 m 钢箱系杆拱桥总体设计

周祥树

（江苏省科佳工程设计有限公司，江苏 无锡 214002）

0 引 言

随着人们审美观的提升，对城市桥梁外观及造型要求越来越高，而受建设场地及桥下通行限制，传统混凝土系杆拱桥已难以满足施工要求。

下承式钢箱系杆拱桥由于其跨越能力强、结构高度低、工厂化预制、架设速度快、中断交通时间最短等优越性，近年来在桥梁领域应用越来越多。同时钢箱系杆拱桥结构轻巧独特、富有动态，配以靓丽涂装还能为城市增添一道风景线，因此在城市桥梁领域有着特殊的优越性，应用前景乐观。

我国的应用实践表明，钢箱系杆拱桥不仅可以很好地满足结构功能要求，而且具有良好的技术经济效益[1]。随着设计规范及计算软件的发展，对钢箱系杆拱桥的计算也越来越完善。

1 工程概况

1.1 项目简介

本项目位于无锡市锡山经济开发区西部，桥梁位于通云路上中心桩号K0+314.874，主桥跨越现状北兴塘河五级航道，通航净空45 m×5 m，道路中心线与航道夹角62.1°。桥位西侧为1 根架空110 kV高压电缆，电缆与桥位水平净距最低1.4 m；桥位东侧为2 道架空热力管道，管道距桥位边线约8 m。根据实际调查，现状高压电缆及热力管道均不具备迁改条件。主桥桥位平面图见图1。

图1 主桥桥位平面图

桥梁南引桥下存在1 条下穿道路，桥梁中心桩号距南侧交叉口不足300 m。受水域通航要求，主桥跨度应不低于100 m；受现场建设条件和投资限制，主桥应尽量降低结构高度，同时减小引桥规模以节约投资，且主桥施工不能采用吊装或支架拼装施工。经过方案比选论证，最终确定主桥采用单跨100 m 下承式钢箱系杆拱结构，引桥采用20 m 预应力混凝土简支板梁；主桥采用南岸拼装、整体顶推过河，引桥采用桥位东侧吊装施工。

1.2 结构概况

桥梁横断面见图2。桥面为C50 混凝土预制桥面板，主梁横断面布置：5.25 m（人非混行道）+1.75 m（拱肋）+0.5 m（边防撞墙）+11.5 m（机动车道）+3 m（中分带）+11.5 m（机动车道）+0.5 m（边防撞墙）+1.75 m（拱肋）+5.25 m（人非混行道），全宽41 m。

图2 桥梁横断面（单位：cm）

桥梁主桥立面图见图3。主桥采用下承式钢箱系杆拱结构，主拱拱圈计算跨径为96.8 m，矢高20 m，矢跨比为1/4.84，拱轴线采用2 次抛物线。上部结构由桥面系统、拱肋、吊杆等组成。其中桥面系统由外侧挑梁、系杆及钢横梁组成。

图3 桥梁主桥立面（单位：cm）

主桥立面布置如下：

（1）拱肋：拱肋采用3 片全焊矩形钢箱结构，拱圈结构采用2 050 mm×1 750 mm 矩形断面，顶底板厚度20～24 mm，腹板厚度20～24 mm，拱圈内部每边设置I 型纵向加劲。为增强拱肋横向稳定性，2 片拱肋间设置钢风撑，拱肋断面见图4。

图4 拱肋断面（单位：mm）

（2）吊杆：采用平行高强钢丝成品索，吊杆纵桥向间距均为5 m。上端采用吊耳销接在拱肋上，系梁端采用冷铸墩头锚，吊杆锚头设置球面支座，以减小吊索附加内力。

（3）系梁：采用3 片全焊矩形钢箱结构，边系杆采用2 200 mm×1 750 mm 矩形断面，中系杆采用2 433 mm×1 750 mm 矩形断面；系杆顶底板厚度24～28 mm，腹板厚度24～28 mm；系杆横桥向与挑梁及横梁焊接成整体，为便于横向拼接，系杆顶、底板均设置翼缘板。系梁断面见图5。

图5 系梁断面（单位：mm）

（4）挑梁：挑梁为悬臂结构，主要承担人行及非机动车道荷载；采用“工”字形断面，工字型上翼缘宽0.6 m，下翼缘宽0.5 m，挑梁高度1.1～2.2 m，顺桥向间距5 m，挑梁横向与系杆焊接成整体。

（5）横梁：端横梁梁体为箱形断面，纵桥向宽2.2 m，高度2.200～2.433 m；中横梁为“工”字形断面，上翼缘宽0.6 m，下翼缘宽0.5 m，中横梁高度2.200～2.433 m。

（6）小纵梁：纵梁分为2 种类型，行车道横向设置4 道纵梁，人行道范围横向设置2 道纵梁，均为“工”字形断面，上翼缘宽0.6 m，下翼缘宽0.5 m；车行道纵梁梁高1.3 m，人行道纵梁梁高0.75 m。在横梁、挑梁和车行道纵梁上设有剪力键。

2 结构分析

2.1 荷载及组合

（1）恒载：钢筋混凝土容重γ=26 kN/m3；沥青混凝土容重γ=24 kN/m3；钢材容重γ=78.5 kN/m3。

（2）活载：汽车荷载取城－A 级，双向6 车道；动车荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）温度荷载：计算体系均匀升温30 ℃、降温30 ℃引起的效应。

（4）风荷载：考虑横桥向与汽车组合风，基本风速28.6 m/s。

2.2 计算模型

采用空间有限元程序（Midas/Civil）建立总体计算模型，其中拱肋、系梁、横梁、纵梁采用梁单元，吊杆采用桁架单元，桥面板不参与总体受力。结构计算模型见图6。

图6 结构计算模型

2.3 主要计算结果

2.3.1 系梁强度

承载能力组合作用下，系梁最大应力130 MPa，小于规范[2]中Q345qd 钢材强度270/1.1=245 MPa设计值，系梁强度满足规范要求。

2.3.2 拱肋强度

拱肋面内抗弯惯性矩Iy= 0.106 863 m4，拱肋面积A= 0.180 4 m2。

计算长度L 为拱脚到横撑的距离，约为35 m，则拱肋长细比为45.5，对应整体稳定系数为0.83。

承载力组合作用下，拱肋最大应力155 MPa，小于规范[2]中Q345qd 钢材强度设计270/1.1×0.83=204 MPa，满足规范要求。

2.3.3 结构整体稳定性

在恒载、制动力、横风荷载、活载作用下对上部结构进行稳定性验算，得到的1 阶失稳模态见图7。

图7 1 阶失稳模态（K=12.1）

在成桥工况下，1 阶失稳为拱肋面内失稳，稳定安全系数K=12.1，满足要求[3]。

3 施工方案

本工程顶推采用步履式顶推设备，在5#～9# 引桥盖梁顶部、10# 和11# 主墩顶部设置顶推工作平台。考虑到主桥跨径为100 m，在距离10#、11# 主墩中心24.8 m 河中位置各设置1 排钢管桩作为临时支墩；为增加通航净宽，临时墩顺航道斜向布置。顶推施工示意图见图8、图9。

图8 顶推施工示意图（单位：mm）

图9 桥梁顶推施工现场图

为减小钢拱桥悬臂距离，保证顶推过程稳定性，在前端位置加设26 m 前导梁，前导梁上通过背撑与钢拱肋连接；为减小主桥后端下挠，在主桥后端增设12 m 后导梁。

步履式顶推为水平力自平衡系统，顶托作业时桥墩及基础总体计算时可不计入水平力影响，仅在支架局部计算时需考虑水平荷载影响。借鉴以往经验，考虑顶推过程中构件局部変形不利因素，本项目顶推水平力计算按静摩擦系数0.1 控制。

本桥为柔性吊杆，顶推过程中，拱肋与系杆间须设置临时支撑以改善系梁受力。综合比较施工措施费用、施工难度、安全性，最终确定采用将拱肋拼装支架作为临时支撑，随主桥一起顶推过河的施工方案。临时胎架底部与系梁焊接固定，顶部与拱肋底板设置螺栓连接，按铰接设计，以降低顶推过程中的次效应。顶推施工前，对吊杆进行初张拉，初张拉荷载100 kN。初张拉荷载可有效地对支架进行预压，改善顶推过程中支架与系梁及拱肋连接节点的受力状态。

目前桥梁已建成通车近3 a，使用状况良好。现状施工完成桥梁见图10。

图10 现状施工完成桥梁

4 结 语

（1）钢箱系杆拱桥可以降低主梁重量、提升跨越能力、降低结构高度，在景观及对梁高要求高的跨河跨路工程中，应用较为广泛。

（2）本项目受两侧架空管线限制，主桥无法采用传统的支架或吊装施工工艺。采用钢箱系杆拱桥整体顶推过河的施工方案，能有效解决主桥施工难题。

（3）主桥顶推施工时，将步履式顶推装置设置于引桥盖梁顶，可大大节省施工支架措施费用，也加快了施工工期。

（4）桥面采用钢筋混凝土预制桥面板，既能有效降低主桥顶推施工总体重量，又可降低后期桥面维护成本。