外倾式不对称钢箱拱桥设计关键技术

朱忠 ZHU Zhong；尹开川 YIN Kai-chuan；白洪涛 BAI Hong-tao；代攀 DAI Pan；黄永福 HUANG Yong-fu

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

拱，自古以来就是人们普遍认为的极具美感的一种建筑结构，大范围应用于民用建筑及公路桥梁建设领域。在民用建筑中，其一般用于造景需求较高的部分，以便于体现建筑美感，而在公路桥梁建设领域的应用主要以各类拱形结构桥梁为具体体现形式。

拱桥，最广泛最早地被人们认知应该是属赵州桥无疑了，从古至今拱桥的发展从使用材料的变化上来归纳大体经历了3 个发展阶段，分别为石拱桥阶段，混凝土拱桥阶段以及钢拱桥阶段，随着材料的不断发展将拱桥的经济跨径从最初的几十米增加到了目前的300 多米，特别是进入21 世纪后，高速公路建设进入了大发展时期，公路桥梁建设时由于拱桥结构受力明确，传力流畅，拱圈及基础均处于受压状态，受力状态合理等特点，目前许多山区公路及有景观要求的城市道路桥梁建设均倾向于选用此类结构跨越山谷或河道。近年来，为积极响应国家绿色低碳发展大战略，越来越多的造型各异的钢拱桥（包括钢箱拱桥以及钢管混凝土拱桥）开始出现在人们的视野中，从造型上细分，大家已不再局限于平面拱桥的建设了，大量的提篮拱、外倾拱、不对称拱开始争夺眼球。其中不对称拱桥因其独特的外观造型及强烈的视觉冲击效果已然成为景观网红桥梁打造的第一选择。

1 项目背景

云南山区某跨江桥梁，作为人行绿道建设系统工程的一部分，从建设初期就被定位为网红景观桥梁打卡点，在桥梁外形上选择了外倾式不对称拱桥，材料上选择了更为环保景观效果更好的钢结构，本桥主跨跨径为125m，目前本项目正在施工建设中。

图1 外倾式不对称钢箱拱桥效果图

2 结构设计

本项目主桥为1-125m 外倾钢拱桥，拱轴线形为拱平面内跨径L=125m，S 拱（上游拱肋）拱平面内矢高f=27.672m，S 拱拱圈与竖直平面夹角为16°，立面投影高26.60m，S 拱拱轴系数m=1.5，X 拱（下游拱肋）拱平面内矢高f=19.142m，X 拱拱圈与竖直平面夹角为16°，立面投影高18.40m，X 拱拱轴系数m=1.5。两片拱的拱轴线在拱脚位置处的间距为8.2m；桥宽：0.25m（栏杆）＋3.5m（车行道）＋0.25m（栏杆）＝4m；吊索位于拱平面内，吊索采用GJ15-4及GJ15-3 整束挤压吊杆，破断力标准值分别为1040kN和780kN，吊杆拱肋钢箱内上端为张拉端，钢板梁下端为锚固端。为了适应施工及成桥后吊杆的转角，吊杆上、下端冷铸锚锚固处均设置球面垫板；拱座采用钢箱拱座+外包钢筋混凝土结构，拱座上设置有部分引桥桥墩以及主桥台帽、背墙、盖梁等。（图2）

图2 桥梁总体布置图

本项目加劲梁采用正交异形钢桥面板结构，主梁高700mm，钢纵、横梁高700mm，钢梁顶底板平行，顶板同路面横坡，为单向2%。钢梁采用“工”形断面的纵、横梁体系，纵梁间距3.5m、横梁间距2.5m，吊杆挑梁间距7.5m，纵梁与横梁采用焊接连接，纵梁顶底板、腹板采用焊接连接，梁段与梁段腹板之间采用栓接。主桥吊杆采用15-4 及15-3型镀锌钢绞线整体挤压成品吊杆，抗拉强度标准值1860MPa。拱肋采用钢箱梁断面，断面尺寸2.4×2.0m，钢箱梁板厚为30mm-20mm；拱脚位置采用钢箱拱脚+外包混凝土，钢箱拱脚内填C35 补偿收缩混凝土，外表面设置PBL 键与外包混凝土可靠连接。两岸侧拱座采用拱座接承台接桩基，在承台后根据地质条件设置抗推体保证可靠有效抵抗拱桥的水平推力。（图3-图6）

图4 吊索截面图（单位：mm）

图5 主拱圈标准断面（单位：mm）

图6 钢箱拱脚立面示意图（单位：mm）

设计阶段针对本桥建立了全桥有限元模型进行计算，相关计算模型及主要计算结果如图7-图8 所示。

图7 全桥有限元分析模型

图8 拱肋基本组合应力图（单位：MPa）

对于主梁而言设计阶段对正应力、剪应力考虑局部稳定折减及剪力滞折减后进行相关验算，验算结果详见表1-表3。

表1 运营阶段加劲梁性能指标

表2 运营阶段加劲梁性能指标

表3 地震工况下加劲梁性能指标

3 施工注意事项

本项目中外倾式不对称钢箱拱桥的施工主要包括以下流程：①施工场地四通一平；②开挖拱座、抗推体基坑，并做好防护措施；③施工桩基、承台、抗推体（施工前需先完成相关荷载试验）、拱座及钢箱拱脚（提前做好相关预埋件的定位及预埋），注意钢箱拱脚施工完后暂不浇筑拱座外包混凝土，继续施工拱肋；④施工缆索吊锚固系统；⑤安装缆索吊塔架、主缆及边跨扣索；⑥逐节段安装拱肋节段（注意部分位置临时连接）并及时张紧扣索进行固定，同时随着主拱节段的安装按顺序施工临时风撑进行临时约束；⑦在设计温度吊装拱肋合拢段并调整拱肋线形完成所有拱段之间的满焊固结；⑧松弛扣索并拆除临时风撑；⑨由跨中向两端逐节段安装吊索及钢主梁，同步完成主梁之间的焊连；⑩在最后两个主梁节段安装之前先完成拱座外包混凝土的施工；1○安装最后两个主梁节段；12○施工桥面附属结构并拆除临时结构对钢结构进行补充涂装。

施工中需要重点注意的问题有以下几个方面：①临时扣索的张拉角度和张拉力的确定；②拱肋起吊后外倾角度的扭转调整；③外倾拱桥竖向预拱度与横向预拱度叠加后的位移效应；④拱肋拼装过程中精度控制；⑤吊杆长度应在主拱合拢后进行全面实测后重新计算校对；⑥密切关注监控指令。

4 结语

当前社会高度信息化发展，网络传播速度和效益都非常惊人，多地政府开始着手于打造一批特色网红景点以吸引游客争相打卡，市政行业中结合功能需求建设一批具有鲜明特色、符合大众审美且具有强大视觉冲击力的桥梁工程已越来越成为群众的基础需求，反映了人民群众在物质文化生活水平方面的不断提升。

通过本项目的建设，也希望对未来类似桥梁的设计和施工起到一定的借鉴和参考作用。