莫朝慶

（湖南大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410082）

1 概述

梁拱組合橋是一種特殊形式的拱橋，兼有拱橋和梁橋的特點(diǎn)，與通常的拱橋和梁橋相比，其具有對(duì)地基適應(yīng)性強(qiáng)、建筑高度低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在跨徑60～200 m 的范圍內(nèi)是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型[1]。

該橋位于常德市穿紫河水系的姻緣河上，為穿紫河水系與“中國(guó)城市第一湖”——柳葉湖水系連通的關(guān)鍵性景觀節(jié)點(diǎn)之一，其景觀性要求較高。

同時(shí)，在道路改造時(shí)全線設(shè)置了城市綜合管溝，為確保全線管溝貫通，橋梁結(jié)構(gòu)必須考慮管溝的通行。橋梁在斷面形式、跨度及梁高設(shè)置方面均需考慮其影響。

經(jīng)過(guò)方案比選及優(yōu)化，本橋橋型采用新穎的雙提籃梁拱組合橋，全橋橫橋向?yàn)橐环w結(jié)構(gòu)，跨寬比為1.77＜2.0，為超寬橋面結(jié)構(gòu)[2]。綜合管溝從橋梁中間穿過(guò)，在保證結(jié)構(gòu)功能的同時(shí)兼顧景觀效果，夜景效果見(jiàn)圖1。

圖1 夜景效果圖

2 設(shè)計(jì)概況

2.1 設(shè)計(jì)荷載

汽車(chē)荷載：城-A 級(jí)；人群荷載：3.5 kPa。

2.2 總體設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)總長(zhǎng) 150 m，為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合體系，跨徑組成為 35 m+80 m+35 m。橋面寬 45 m，橫橋向?yàn)橐环?，單?11 室結(jié)構(gòu)。拱肋采用鋼管混凝土，理論計(jì)算跨徑 L=80 m，計(jì)算矢高f=16 m，矢跨比為 1/5。

為確保綜合管溝能在橋體內(nèi)順利通行，預(yù)留橋梁中間三室為管溝通道，見(jiàn)圖2。為方便后期的維護(hù)和檢修，主梁跨中截面高 2.6 m，支座處截面高3.6 m，橫隔板處通行最小凈高不小于 1.2 m。

圖2 橋梁跨中橫隔板處綜合管溝斷面（單位：cm）

2.3 橫斷面布置

全橋總寬 45 m，橫坡 1.5%，橋面橫向布置為2.5 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車(chē)道）+5.25 m（綠化區(qū)+拱座區(qū)）+0.5 m（安全距離）+3× 3.5 m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+0.5/2（雙黃線區(qū)），左右對(duì)稱(chēng)，見(jiàn)圖3。其中，箱梁中間三孔為綜合管廊通行空間。

圖3 橋梁橫斷面（單位：cm）

2.4 橋型設(shè)計(jì)構(gòu)思

常規(guī)的提籃拱橋常采用兩片拱往中間傾斜，兩片拱中間設(shè)橫向風(fēng)撐將兩者連成一有機(jī)平衡的整體。同時(shí)每片拱上均安裝吊桿，形成主受力體系。該橋設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到全橋橫向?qū)挾容^大達(dá) 45 m但主跨跨度僅為 80 m，長(zhǎng)寬比例很小僅為 1.78，如采用常規(guī)提籃拱做法則橫向風(fēng)撐較長(zhǎng)且對(duì)橋面的壓迫感十分明顯，景觀效果差，難以滿(mǎn)足城市景區(qū)的要求。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮將兩片拱分開(kāi)，做成兩個(gè)獨(dú)立的自平衡提籃拱，橋面上視野開(kāi)闊，行車(chē)舒適感強(qiáng)。

主梁采用變高連續(xù)梁，梁底曲線與主拱線型互相呼應(yīng)，形成一道優(yōu)美的空間曲線。梁高充分考慮箱梁內(nèi)綜合管溝人員的通行，保證最小通行高度。

2.5 構(gòu)造設(shè)計(jì)

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，主拱跨徑 80 m，矢高 16.0 m，兩片拱肋中心間距 28 m；提籃拱拱肋縱向豎偏角為 4 °。拱肋采用啞鈴式斷面，高 1.5 m，肋板寬 0.3 m，鋼管直徑為 0.5 m，鋼板厚均為14 mm。拱肋間橫梁采用矩形鋼箱梁截面，寬0.5 m，高 0.8 m，采用 20 mm 厚鋼板焊接。吊桿間距為 5 m，一片拱肋共計(jì) 15 根吊桿。采用 OVM.GJ15-19 型鋼絞線整束擠壓吊桿成品索。

主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁，單箱11 室截面（中間三室同時(shí)為綜合管廊通道），根部梁高 3.3～3.64 m（橫坡 1.5%），跨中和邊支座處梁高 2.3～2.64 m。主梁縱向和橫梁處均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋。

考慮橋面橫向?qū)挾冗_(dá) 45 m，拱肋中心間距28 m，在每個(gè)拱座下方設(shè)置三個(gè)橋墩，每個(gè)墩上布置兩個(gè)支座，有效減小橋梁的橫向受力寬度，確保結(jié)構(gòu)受力合理。

2.6 施工工序

本橋采用“先梁后拱”法施工，主要步驟如下：

（1）施工樁基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)；

（2）滿(mǎn)堂支架法施工主梁；

（3）張拉 70%的預(yù)應(yīng)力鋼筋；

（4）在主梁上搭設(shè)支架，吊裝拱肋；

（5）拱肋內(nèi)混凝土澆筑；

（6）張拉余下的 30%預(yù)應(yīng)力；

（7）安裝吊桿并張拉調(diào)試，拆除支架；

（8）施工橋面系及附屬結(jié)構(gòu)。

其中：主梁混凝土由于面積太寬，混凝土澆筑量較大，施工時(shí)設(shè)置了后澆帶，確保施工過(guò)程中水化熱能及時(shí)釋放，見(jiàn)圖4。

圖4 后澆帶設(shè)置示意圖（單位：cm）

主梁預(yù)應(yīng)力張拉分為兩批，第一為 70%的預(yù)應(yīng)力，張拉完后確保在主梁上施工主拱的構(gòu)件時(shí)其有一定的應(yīng)力儲(chǔ)備，待鋼管混凝土壓漿完后，張拉余下的 30%預(yù)應(yīng)力，通過(guò)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的效應(yīng)平衡主拱由于自重作用下產(chǎn)生的水平推力和自重作用下產(chǎn)生的豎向撓度。

3 結(jié)構(gòu)分析及支座優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 有限元模型建立

全橋有限元分析運(yùn)用 MIDAS/Civil 2011 軟件建立全橋的空間結(jié)構(gòu)模型，見(jiàn)圖5。由于橋面較寬且為空間受力，整體計(jì)算采用空間桿系理論，采用梁格法進(jìn)行計(jì)算。模型全橋橫向共分為 12 片縱肋，橫向剛度通過(guò)虛擬橫梁等效實(shí)現(xiàn)；拱肋鋼管和鋼管內(nèi)混泥土通過(guò)兩單位共節(jié)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)，不考慮鋼管的套箍作用；吊桿采用桁架單元模擬[3]。

圖5 有限元計(jì)算模型

施工階段分析盡量模擬施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，拱肋壓漿過(guò)程采用先計(jì)算其濕重下一階段才考慮混凝土和鋼共同受力。

3.2 計(jì)算分析及支座優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 支座布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力特征，中支座共考慮三種布置形式（見(jiàn)圖6、圖7），具體為：

方案一：每片拱腳下方布設(shè)一個(gè)支座；

方案二：吊桿下方及跨中各布設(shè)一個(gè)支座；

方案三：每片拱腳下方布設(shè)一個(gè)，跨中兩個(gè)。

圖6 支座布置示意圖（單位：cm）

圖7 三方案支座受力分析圖

方案一為常規(guī)拱橋的布設(shè)方案，但由于橋面超寬支座受力嚴(yán)重不均勻；方案二結(jié)構(gòu)受力較方案一改善較大，但支座不均勻受力明顯。方案三通過(guò)支座間距的合理調(diào)整后，各支座受力均勻合理，差值不超過(guò) 10%。對(duì)于橋面較寬結(jié)構(gòu)，通過(guò)支座的合理布置來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的傳力途徑，以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)受力十分必要。

3.2.2 特征值分析

自振頻率分析采用空間向量法的子空間迭代法，迭代次數(shù)取 30 次。自振頻率和振型見(jiàn)表1、圖8。

表1 自振頻率表

圖8 一階自振模態(tài)（橫橋向）

由上述可知，橋梁的基頻為 2.11 Hz，周期0.47s，前三階振型均為拱肋一階橫彎，至第四階為主梁豎彎振型，充分體現(xiàn)該橋“強(qiáng)梁弱拱”的受力模式，主梁整體剛度較大，拱剛度相對(duì)較弱。

3.2.3 穩(wěn)定分析

采用空間模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，使用階段結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)表現(xiàn)為拱肋橫向側(cè)彎，臨界荷載系數(shù)為 5.56>4，滿(mǎn)足規(guī)范要求，見(jiàn)圖9。

圖9 一階失穩(wěn)模態(tài)

3.2.4 成橋狀態(tài)下受力狀態(tài)

成橋狀態(tài)下主梁、主拱受力見(jiàn)圖10～圖13。

通過(guò)縱向預(yù)應(yīng)力筋的合理布置，主梁縱向均處于受壓狀態(tài)；主拱鋼管的應(yīng)力最大值為 166.8 MPa，應(yīng)力水平合理并有一定的儲(chǔ)備。

圖10 主梁應(yīng)力圖（均受壓）

圖11 拱肋鋼管應(yīng)力圖（最大壓應(yīng)力為 166.8 MPa）

圖12 吊桿橫梁（左側(cè)為拱腳處，右側(cè)為跨中處）

圖13 吊桿軸力（最大為 1 709 kN）

吊桿的設(shè)定索力為 1 500 kN，吊桿通過(guò)主拱所傳遞豎向力所占比例約為 33.5%（總吊桿力/總支座力=30×1 500/135 000）。由圖13 可知，最大索力約為 1 700 kN，內(nèi)力增幅較小，是“強(qiáng)梁弱拱”體系的一典型特征。

由圖12 可知，通過(guò)合理確定吊桿內(nèi)力，同時(shí)布置橫向預(yù)應(yīng)力，在吊桿間距達(dá) 28m 的情況下，橫梁為全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。但吊桿的內(nèi)力必須在一合理的范圍之類(lèi)，且必須考慮跨中和根部橫梁高度的差異。

汽車(chē)活載作用下，主梁的最大豎向位移為4.14 mm，主拱的豎向位移為 2.06 mm，活載與恒載相比所占比重較小，見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 汽車(chē)荷載主梁位移圖（4.14 mm）

圖15 汽車(chē)荷載主拱位移圖（2.06 mm）

對(duì)該類(lèi)超寬橋面提籃拱橋的設(shè)計(jì)，主拱的傳力比例（即吊桿力力）必須引起重視，取值太高橫向受力易控制橋梁設(shè)計(jì)；取值偏低，拱對(duì)梁的輔助作用降低。設(shè)計(jì)時(shí)，宜通過(guò)試算確定且宜以縱向控制設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

梁拱組合橋梁作為一種新穎的受力結(jié)構(gòu)，將梁受彎和拱受壓的特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在一定跨度范圍之內(nèi)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。本橋采用新穎的雙提籃拱結(jié)構(gòu)體系，對(duì)解決城市超寬橋面且“長(zhǎng)寬比”較小橋梁的景觀問(wèn)題是個(gè)有益的嘗試，并通過(guò)空間分析計(jì)算論證其可靠性。同時(shí)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)橋梁與城市綜合管溝有機(jī)統(tǒng)一，既經(jīng)濟(jì)又美觀，對(duì)同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒作用。

[1] 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁——設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版設(shè),2001.

[2] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

[3] 戴公連,李德建.橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2001.