梁天福

（武漢地鐵集團公司 武漢 430030）

1 工程概況

1.1 總體布置

始建于隋代的趙州橋［1］以其精美的造型，巧妙的設(shè)計一直使用至今，為世界橋梁史上之首創(chuàng)，被稱為“坦拱橋之祖”。傳統(tǒng)的上承式或中承式拱橋拱腳的不平衡水平推力一般都靠地基來抵消，它對基礎(chǔ)的要求非常高，故在軟土地基很少應用［2］。本橋位于軟土地區(qū)，跨度為450m，僅靠基礎(chǔ)來抵抗拱橋的水平推力及拱腳彎矩，將需要采用巨大的基礎(chǔ)，從理論上來說方案實施困難很大。為解決拱橋的水平推力同時又要使基礎(chǔ)不承擔拱橋的水平推力及彎矩，將坦拱兩拱腳直接采用支座與承臺連接，既消除了拱橋的水平推力對基礎(chǔ)的影響，又釋放了大跨度拱橋由于溫度變形產(chǎn)生的拱腳巨大彎矩；通過在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置水平系桿以及將鋼箱梁本身作為系桿來抵消拱橋的水平推力。

某城市高架橋梁設(shè)計荷載為公路I級，雙向6車道。在滿足橋下通航要求以及附近機場建筑物凈空要求的條件下，并考慮景觀要求，該橋主橋采用了結(jié)構(gòu)高度低、跨越能力大、造型美觀的坦拱連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)。橋長630m，橋跨布置為90m ＋450m＋90m。拱肋軸線采用懸鏈線，計算跨徑為440m，計算矢高50.5m，矢跨比1／8.713，見圖1。

圖1 主橋總體布置（單位：m）

1.2 主梁

邊跨、中跨主梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，三主梁形式，見圖2。中跨主梁高4.0m，邊跨主梁高8.0m，橋面寬46.0m。頂板設(shè)2.0%雙向橫坡，主梁之間通過橫隔板連接。邊跨為避免出現(xiàn)拉力，支座需要壓重，壓重材料以鐵砂為主。

圖2 主梁構(gòu)造圖（單位：cm）

1.3 拱肋

主拱結(jié)構(gòu)為平行鋼箱拱，采用Q345qd鋼材，彈性模量E＝210GPa。鋼拱肋計算跨度為440 m，截面寬3.0m，橋面以上拱肋高度6.0m，橋面以下9 m。3 片拱肋在順橋向共設(shè)置9 道橫撐。拱腳采用混凝土結(jié)構(gòu)，高度10.5m，見圖3。

圖3 拱肋構(gòu)造圖（單位：cm）

1.4 系桿體系

永久系桿采用高強度低松弛鋼絞線制成，全橋系桿共22 束85Φ15.4 鋼鉸線，總索力有157 080kN。

1.5 吊桿

采用豎直吊桿，本橋共設(shè)27對，縱向索距10 m，吊桿采用PE 護套鍍鋅高強平行鋼絲，可調(diào)試冷鑄鐓頭錨。

1.6 基礎(chǔ)

拱座基礎(chǔ)采用69 根直徑1.5 m 鉆孔灌注樁，樁長為98m；承臺尺寸（橫橋向×縱橋向）為61.8m×18.8m，厚5.0m。拱座臺上橫向設(shè)置3個13 000t鋼支座。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 計算模型

采用“橋梁博士”建立的有限元分析模型，總計節(jié)點348個，單元376個。一個拱腳按固定鉸支座模擬，另一個拱腳按活動鉸支座模擬；邊跨端部按活動鉸支座模擬，計算模型見圖4。

圖4 有限元分析模型

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 拱肋計算結(jié)果

拱肋截面軸力如圖5所示，鋼拱肋（三拱）基本組合工況下最大軸力為3.36×105kN，最小軸力為2.79×105kN，最大彎矩2.45×105kN·m，最小彎矩－3.80×105kN·m。基本組合工況下拱肋最大壓應力為176.7 MPa，最小壓應力為50.8 MPa。拱肋拱腳、1／4 拱、拱頂截面基本組合工況下結(jié)構(gòu)受力結(jié)果見表1。

圖5 拱肋基本組合軸力圖（單位：kN）

表1 拱肋各控制截面基本組合工況下結(jié)構(gòu)彎矩、軸力匯總表

2.2.2 主梁計算結(jié)果

主梁截面應力如圖6，7所示，基本組合工況下最大拉應力為－104.1 MPa，最大壓應力為168.1 MPa，系梁部分兼作系桿功能使用。

圖6 系梁上緣基本組合正應力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖7 系梁下緣基本組合正應力包絡(luò)圖（單位：MPa）

2.2.3 位移

橋梁鋪裝層施工完成后，中支點活動端理論計算水平位移為17.6cm，系梁跨中理論計算豎向位移為－86.4cm，拱肋跨中豎向位移為－81.4 cm。升、降溫工況下中支點活動端水平位移為±13.4cm，系梁跨中豎向位移為±0.6cm，拱肋跨中豎向位移為±1.4cm?；钶d作用下中支點活動端水平位移為±4.7cm，系梁跨中豎向位移為16.5cm，撓跨比1／2727。

2.3 計算結(jié)論

鋼筋混凝土桁架坦拱橋最大跨度為305 m，計算矢高1／7.4，由于鋼筋混凝土受到材料強度的限制，跨度400～500m，已經(jīng)基本達到極限；采用鋼結(jié)構(gòu)，跨度到400～600 m 完全可行。本方案經(jīng)過上述計算，無論拱肋、主梁受力，還是橋梁變形結(jié)果均能滿足規(guī)范要求，方案完全可行。

3 結(jié)構(gòu)受力特點

該體系由V 構(gòu)及坦拱組合而成，坦拱拱肋與系梁組合形成“連續(xù)梁”跨中部分，拱肋主要以受壓為主；主拱范圍內(nèi)系梁主要以受拉為主，其余位置主要以拉壓為主；V 形部分類似“連續(xù)梁”零號塊，下部撐腳部分主要以受壓為主，上緣橋面以受拉為主。圖8為本方案傳力途徑示意圖。

圖8 坦拱連續(xù)梁橋傳力途徑示意圖

由圖8可見，梁部荷載通過吊桿傳遞到拱肋，拱肋將吊桿、拱肋自身兩部分荷載傳遞到V 撐和系梁，豎向力傳遞至基礎(chǔ)。同時，系梁采用水平系桿自錨，平衡拱肋傳遞的水平力。

各部分受力特點如下。

（1）梁部。全部采用鋼箱梁，與普通拱橋梁部不同，本方案系梁兼作系桿使用，平衡坦拱部分水平分力。

（2）V 構(gòu)。為減輕結(jié)構(gòu)的自重，減低主墩支座噸位，V 構(gòu)全部采用鋼結(jié)構(gòu)。V 構(gòu)主要承擔坦拱、水平系桿傳遞而來的水平力；其次，V 構(gòu)類似連續(xù)梁的“零號塊”下緣，主要以受壓為主，需要采用較大承載力的鋼結(jié)構(gòu)材料。最后V 構(gòu)將梁部、拱肋產(chǎn)生的豎向荷載傳遞給基礎(chǔ)，作為本結(jié)構(gòu)體系上部結(jié)構(gòu)的重要支撐體系。

（3）拱肋。全部采用鋼箱梁，首先拱肋將吊桿、拱肋自身兩部分荷載傳遞到V 撐和系梁；其次拱肋與系梁固接形成連類似“連續(xù)梁”中跨梁部，拱肋主要以受壓為主，系梁主要以受拉為主。

（4）系桿。系桿主要承受拱傳來的水平力，同時系桿與全橋梁部通過變形協(xié)調(diào)來調(diào)整內(nèi)力。

（5）吊桿。主要傳遞橋面荷載給拱肋。

4 結(jié)論

（1）將坦拱橋設(shè)置成連續(xù)梁形式，兩拱腳直接采用支座與承臺連接，既消除了拱橋的水平推力對基礎(chǔ)的影響，又釋放了大跨度拱橋由于溫度變形產(chǎn)生的拱腳巨大彎矩。通過在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置水平系桿以及將鋼箱梁本身作為系桿來抵消拱橋的水平推力。

（2）采用V 構(gòu)及坦拱組合結(jié)構(gòu)形式，可有效減低橋梁建筑高度，V 構(gòu)可有效提高支點處橋梁剛度，從而可加大橋梁跨度。

［1］中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)委員會.面向創(chuàng)新的中國現(xiàn)代橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］嚴愛國，尹書軍.滬杭客運專線自錨上承式拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2011（10）55－57.