钢管混凝土拱桥方案设计优化探析

覃仁昊,夏 豪

（1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550000;2.中交公路规划设计院有限公司贵州分公司,贵州 贵阳 550000）

0 引言

德江（合兴）至余庆高速公路的实施是对我省黔北地区高速公路网有益补充和完善，是连接安江高速的一条快速通道，建成后将把贵州省高速公路网中南北走向沿河至榕江的高速公路连接贯通。乌江特大桥位于K51+588.46~K53+421.04处，跨越乌江，是德余高速公路控制性工程。德余高速建成后将极大地促进沿线的资源开发，促进该地区经济的发展和少数民族的脱贫致富，同步全面建成小康社会具有重大意义。

1 工程概况

德余高速公路起于德江县合兴镇东侧的青杠园附近，顺接已建成通车的沿德高速，终点设小腮枢纽接遵余高速，路线全长约104.0 km。乌江特大桥主要技术标准如下：

公路等级：双向四车道高速公路。

设计行车速度：80 km/h。

设计基准期：100年。

桥梁荷载等级：公路—Ⅰ级。

桥面宽度：0.55 m（护栏）+11.95 m（车行道）+0.5 m（护栏）+11.95 m（车行道）+0.55（护栏），桥梁全宽25.5 m。

设计洪水频率：1/300。根据初勘报告，测时水位438.26 m（2018年11月），水位444.15 m。

通航标准：内河HI—（3）级，设计最高通航水位441.3 m，设计最低通航水位431.0 m。通航净宽110 m，净高10 m。

地震基本烈度：地震动峰值加速度为0.05 g，地震基本烈度Ⅵ度。

2 桥梁方案选择

桥位处于典型的“U”形河谷，桥梁上跨乌江，江面较宽、岸坡较缓，且桥位处为乌江廊道风景区，桥型的选择应从经济性、施工难易程度、后期养护及景观效果多维度出发、综合考虑。桥位处的桥型方案类型比较多，如悬索桥、斜拉桥、拱桥，但考虑尽可能降低工程规模、保证结构的经济性同时兼顾高景观要求，选取了两个方案进行比较：

方案一：（203+450+203）m组合梁斜拉桥。

方案二：475 m上承式钢管混凝土拱桥，桥型布置见图1。

图1 拱桥方案

2.1 景观方面效果比较

通过地形的协调性及景观的比较，两方案都与地形地貌配合较好，但钢管混凝土拱桥拱轴线型与地形切合度更高，线形更加优美，能较好地满足乌江廊道风景区对景观的需求[1]。斜拉桥为常规的双塔结构，气势雄伟，人工建筑特点突出，现代感太强，不能较好地融入景区自然环境。

2.2 施工控制技术和难易程度比较

对于斜拉桥的高塔施工技术日益成熟，主梁采用挂篮悬臂施工，施工工艺成熟可靠[2]。钢管拱桥缆索吊装施工技术已在多座类似桥梁实施，经验成熟，因此施工难易程度相当，施工工艺都比较成熟。

2.3 工程造价比较

钢管混凝土拱桥造价较低，约为44 000万元。斜拉桥方案造价较高，约为49 600万元，两个方案相差5 600万元。

2.4 后期养护比较

桥位所处环境对方案的影响都不太大。钢管拱的拱圈构件、拱上立柱、主梁需要定期检查养护。斜拉桥的拉索需要进行养护更换，且更换费用较高，主梁索塔的应力及应变需要长期检测[3]。

综合以上比较，将475 m上承式钢管混凝土拱桥作为该项目的推荐方案。

3 结构设计

3.1 总体设计

主桥为桥长504 m（计算跨径475 m）上承式钢管混凝土拱桥，为拱、梁、柱刚结协同受力体系。主拱肋采用由8根D1400 mm钢管通过腹杆、横联和风撑组成的等宽变高度空间桁架结构。主拱肋弦管内填充及拱脚外包混凝土采用C70自密实补偿收缩混凝土。拱上立柱采用双矩形薄壁等截面钢箱断面。桥面系采用跨径33.6 m槽型钢箱梁+粗骨料活性粉末混凝土（UHPC）桥面板的连续组合结构。拱上立柱与桥面系钢梁固结，在交界墩处设置纵向活动、横向限位球型钢支座。两岸拱座均采用扩大基础，置于中风化岩层中。

乌江特大桥基于践行科技创新发展驱动高质量发展的理念，力争在结构体系、施工工艺、新材料应用以及运营管养等方面有所突破和创新，提出以下设计思想：工厂化制作、大节段水运，减少现场焊接，腹杆及风撑采用箱形或H形焊接杆件，便于现场栓接，确保工程质量。采用整体性强的桥面系，拱、梁、柱协同受力，提高结构整体性和安全度。采用UHPC桥面板，减轻结构自重，简化施工工艺，避免桥面板开裂，提高桥梁耐久性。

3.2 拱肋安装节段划分

目前对于钢管混凝土拱桥拱肋安装节段的划分国内有两种做法：一种是将受力分段节点设置在拱上立柱之间，立柱位置对应处为单排竖腹杆，两者中线吻合；另一种是在拱上立柱对应位置处设拱肋分段点，其纵向两侧对称设置拱肋双竖杆。两种方式各有利弊。前一种的优点是节段划分比较灵活，不受立柱位置的严格限制，拱肋桁架构件简单；后一种的优点是竖腹杆设置在分段点处，和立柱位置相对应，此处腹杆位置距离很近，增大了集中力作用点处上弦杆的刚度，解决了上承式钢管混凝土拱桥（特别是特大跨径的拱桥）立柱和拱肋之间节点荷载过大，对应位置刚度不足的问题，削减了拱肋节点应力的峰值，明显提高了拱肋承载力[4]。

该桥属于特大跨径桥梁，拱上立柱间距较大，如节段划分在立柱处，吊装重量较大，吊装困难，为满足乌江水运沿线水电站船闸10.8 m的限宽及吊装重量的灵活控制，拱肋腹杆采用N型桁架，如图2所示。

图2 N型桁架腹杆布置方案

3.3 拱桁架结构设计

主桥采用上承式钢管混凝土变截面桁架拱（计算跨径475 m），拱轴线型采用悬链线，拱轴系数m=2.2，矢高为90 m，矢跨比为1/5.278。

主拱肋采用等宽变高度空间桁架结构体系，主弦管拱顶截面中心径向高度为7 m，拱脚截面主弦管径向高度为10.0 m，拱截面径向高度拱脚至拱顶按二次抛物线变化。每片拱肋由四根外径1 400 mm钢管混凝土弦管组成，上下各布置两根钢管混凝土弦管，弦管之间横向中心间距为2.5 m，横桥向两片拱肋的中心距为16 m。拱肋内设横联，肋间设置风撑平联和X撑，如图3所示。

图3 拱肋桁架横断面布置

3.3.1 拱肋弦管

弦杆的壁厚对受力和钢材用量的影响都很大，桁架式钢管混凝土拱桥的受力特点是拱脚段截面下弦轴压力大于上弦轴压力，拱顶段截面的下弦轴向压力小于上弦杆轴向压力，1/4附近则位于中间状态。该桥跨径为475 m，由拱脚至拱顶分3段确定管径壁厚。

3.3.2 拱肋腹杆截面设计

拱肋桁架的腹杆截面形式的选择，国内有三种方案，要点如下：

（1）腹杆与斜腹杆均采用圆形钢管。该结构的优点是构造简单，工厂加工工作量较少，施工过程中通过焊缝调节部分放样误差，节点之间外形简易流畅。此种方案缺点也很明显，贯线焊缝根部的焊接比较困难，容易产生焊接缺陷。

（2）竖腹杆和斜腹杆采用箱型截面和工字型截面。该结构可克服钢管结构的缺点。这种形式的腹杆与主杆连接工艺比较复杂。在主管与腹杆相连接的位置均需要设置节点板，节点板与弦杆焊接，腹杆采用扭剪型高强度摩擦型螺栓和节点板连接形成整体。

（3）斜腹杆与竖腹杆均采用焊接H型型钢。腹杆与弦杆的连接仍采用节点板焊接连接。

3.3.3 拱肋内横联

主桁架之间横向联系的形式对拱肋桁架的横向稳定性、抗扭性能都有很大程度上的影响，因此在桁架结构中对此部分结构的设计显得十分重要[5]。

单片拱肋之间的横联结构通常由上下平联杆和内剪力撑组成。该次设计内剪力撑采用竖向一字形剪力撑。这一方案最大优点是安装简单，施工质量最容易保障。为克服拱肋抗扭刚度弱，上下弦平联采用箱型截面。腹杆间距横联除拱脚F1和F2腹杆间横联采用箱型截面外，其余均采用工字型截面。

3.3.4 拱肋间风撑设计

拱肋间上下弦管均采用传统的K撑，均采用箱型截面。K型节点采用整体焊接节点板，与风撑平联杆件采用工厂焊接、工地组拼栓接的连接方式。

拱肋均采用传统的X撑，设置于立柱下方的径向腹杆平面内，采用焊接H型截面，采用高强螺栓栓接。

3.4 拱上立柱设计

拱上立柱的设计，国内有单排和双排钢管排架以及钢箱截面立柱两种方案。其要点如下：

单排和双排钢管排架结构的缺点是立柱钢管内灌注高强度混凝土，增加的荷载自重较大。通过对最高排架稳定性分析表明，立柱钢管内灌注高强度混凝土对其稳定性影响不大。该结构的优点是在山区V形峡谷区域，拱肋结构对风荷载较为敏感，采用镂空的格构式圆形钢管结构立柱，可大幅降低横、纵向风荷载值。

钢箱截面立柱结构的优点是钢箱截面在满足承载能力和稳定性要求的前提下，立柱荷载可大幅度减少，降低拱肋荷载。

乌江特大桥跨度475 m，为国内最大跨度的上承式钢管混凝土拱桥，已经达到上承式钢管混凝土拱桥经济跨径的上限，因此减轻拱上建筑的自重，对降低主要拱肋荷载意义重大。该桥为减去立柱重量，立柱截面采用钢箱截面。

3.5 桥面系设计

由于该桥属于较大桥宽桥梁，如何减轻拱上建筑的自重，对降低主要拱肋荷载意义重大，因此主要考虑组合梁与立柱固结方案，如图4所示。

图4 组合梁与立柱固结方案

施工便捷方面：采用无盖梁设计，取消了盖梁，减轻拱肋荷载，柱梁固结，简化了施工工序。

立柱受力方面：对立柱的内力影响不大，但可以改变内力分布，特别是对高立柱的内力分布更加均匀，材料利用更加趋于合理。

结构疲劳性能方面：采用主纵梁与柱固结，受力更加明确。从施工便捷、立柱受力、疲劳性能、经济指标各方面考虑，该桥采用组合梁与立柱固结方案作为桥面系结构。主梁采用“槽型钢箱梁+粗骨料活性粉末混凝土桥面板”的整幅组合结构，采用双梁结构，梁高2.25 m。钢主梁采用斜腹板形式，由上翼缘板、腹板、腹板加劲肋、底板、底板加劲肋、横隔板及横肋组成。单片钢箱梁腹板中心间距2.7 m，两片钢箱梁中心间距16.0 m，中间设置小纵梁。

3.6 拱肋防脱空措施设计

钢管混凝土结构使用中存在的较大问题是钢—混凝土的截面损伤（脱空）会严重影响工程质量安全。钢管混凝土拱桥与RC箱型拱桥比较，因自重小很多，最大跨径不断被突破。难点和风险主要集中在钢管混凝土的灌注、高空焊接和拼装稳定性三大问题上。对于确保钢管混凝土灌注质量、防止脱空效果，该桥为防止拱肋脱空，采取了如下设计：①“三级连续接力”法配合真空辅助法灌注拱肋钢管混凝土；②钢管内布置栓钉。

3.7 拱脚临时铰封固时机设计

目前，对于钢管混凝土临时封铰传统的做法是在拱肋合龙，拱轴线调整完成后。一些实桥的观测资料表明，封铰的最佳时机不一定是在拱肋合龙之后。因此，该桥临时铰封固时机根据施工监控要求控制。

4 结语

乌江特大桥是主跨为475 m的上承式钢管混凝土拱桥。该文在总结以往设计的基础上，针对钢管混凝土拱桥施工及受力的问题，对结构形式和构造细节进行优化、创新。目前，桥梁正在施工中，建成后，桥梁将成为上承式钢管混凝土跨径之最，可为同类型桥梁的建设、施工提供参考依据。