涂楊志

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

信陽市春曉路跨浉河大橋是連接新十八大街浉河兩岸一座城市高架橋。大橋位于信陽市市區(qū)內(nèi)，南側(cè)緊鄰龜山公園，交通便利，地勢平坦，橫跨浉河之上，跨越水面寬度約250 m，橋面高出兩岸道路約8 m，高出水面約14 m，與浉河夾角約80°，勘察期間水深0.3～1.0 m。浉河為淮河右岸的一級支流，在兩河口下游500 m處被平橋水利樞紐大壩攔截，形成寬400 m，水位70 m左右的南灣水庫灌溉樞紐節(jié)制閘，一般情況壩下平均流量3.15 m3/s。橋址區(qū)域全年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-20.0 ℃。橋址地層自上而下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)礫砂，承載力基本容許值200 kPa；白堊系上統(tǒng)周家組(K2Z)泥質(zhì)粉砂巖，根據(jù)風(fēng)化情況，承載力基本容許值200～450 kPa不等。地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

大橋設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，針對場地條件、交通功能、景觀需求等特點(diǎn)，主橋采用造型美觀、結(jié)構(gòu)新穎的(142+61) m不對稱有推力鋼管混凝土拱橋方案。立面布置見圖1。

圖1 (142+61) m鋼管混凝土拱橋立面布置(單位：cm)

2 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級及行車速度：城市快速路，60 km/h。

(2)汽車及人群荷載：汽車按城-A荷載，人群荷載集度按3.5 kN/ m2計(jì)算，并考慮滿人荷載。

(3)橋面寬度及橋面布置：橋面全寬37.5 m，由0.25 m人行道欄桿+3.5 m人非混合車道+0.25 m護(hù)欄+2.0 m吊桿錨固區(qū)+0.5 m防撞墻+12.0 m(機(jī)動(dòng)車道)+0.5 m防撞墻+12.0 m(機(jī)動(dòng)車道)+2.0 m吊桿錨固區(qū)+0.25 m護(hù)欄+3.5 m人非混合車道+0.25 m人行道欄桿組成。機(jī)動(dòng)車道按雙向6車道布置。

(4)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

(5)橋梁設(shè)計(jì)安全等級及重要性系數(shù)：一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

(6)水文及通航：設(shè)計(jì)洪水頻率1/100；設(shè)計(jì)水位H1%=75.19 m，H2%=74.5 m，2017年3月1日H測時(shí)=71.33 m；設(shè)計(jì)流量Q1%=1 490 m3/s。不考慮通航。

(7)設(shè)計(jì)縱坡：-0.510 1%單向坡，設(shè)計(jì)橫坡：一般段為2%人字坡。

(8)平面：小里程側(cè)41.415 m(K1+660～K1+701.415)位于R=375 m緩和曲線上，其余均位于直線上。

(9)抗震設(shè)防烈度：Ⅵ度。

3 橋式方案

3.1 橋型構(gòu)思

春曉路跨浉河大橋是新十八大街在浉河上一座市政橋梁，南側(cè)緊鄰龜山公園，橋型選擇上除功能上滿足基本要求外，應(yīng)充分考慮與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。橋梁作為一種特殊的建筑，一方面通過結(jié)構(gòu)線條輪廓、色彩、質(zhì)地表達(dá)外形藝術(shù)，另一方面通過結(jié)構(gòu)造型的新穎和獨(dú)特表達(dá)力學(xué)美，能起到提升城市建設(shè)檔次和品位，打造城市名片的作用。橋址處考慮浉河無通航要求，一跨跨越?jīng)负訔l件不充分，建議采用多跨跨越?jīng)负铀颍Y(jié)合場地條件及景觀因素，可采用不等跨形式，其中最大跨跨度不宜太大。浉河上現(xiàn)有橋梁以常規(guī)橋式、混凝土結(jié)構(gòu)居多，設(shè)計(jì)力求做到使浉河上的橋式更加豐富多彩，又彼此和諧融洽。

考慮上述因素，主橋最終選定造型美觀、結(jié)構(gòu)新穎的(142+61) m混合承式不對稱跨度有推力鋼管混凝土拱橋方案。(1)主拱采用(中承式+上承式)混合承式組合結(jié)構(gòu)；(2)橋面板采用高度僅為36 cm“π”鋼筋混凝土板；(3)橫梁采用鋼箱或鋼箱混凝土結(jié)合梁；(4)橋面系采用以橫梁為主，縱梁為輔助漂浮式橋面結(jié)構(gòu)[1-2]。效果如圖2所示。

圖2 (142+61) m鋼管混凝土拱橋效果圖

3.2 結(jié)構(gòu)體系

本橋主跨142 m，邊跨61 m，邊跨、主跨跨度比為0.43。主跨拱腳、邊跨拱腳以及橋墩均固結(jié)于拱座。中間墩上設(shè)縱向固定支座，其余均設(shè)縱向活動(dòng)支座。主跨2榀拱肋之間設(shè)置2道肋間橫梁，并在每榀拱肋上設(shè)置2個(gè)立柱；邊跨2榀拱肋之間設(shè)置3道肋間橫梁，并在每榀拱肋上設(shè)置4個(gè)立柱。橋墩及立柱上橫梁均與橋面板形成鋼混結(jié)合梁，每道橫梁下方設(shè)置2個(gè)支座；主跨跨中橫梁與橋面板也形成鋼混凝土結(jié)合梁，并通過吊桿懸吊；主跨及邊跨每道肋間橫梁上方均設(shè)置28個(gè)橋面板小支座。本橋共設(shè)2道伸縮縫，中間橋面均連續(xù)。

3.3 關(guān)于解決有推力拱橋水平推力問題

本橋主跨及邊跨采用了比較協(xié)調(diào)的比例跨度，基礎(chǔ)水平推力各墩大小不一樣。其中主跨5號(hào)墩水平推力最大，水平力相對于豎向力而言太大會(huì)造成樁基直徑加大，配筋困難。為解決這一難題，采取以下措施。

(1)為減少橋面恒載重力，橋面板采用高度僅36 cm∏形混凝土板，橫梁、縱梁均采用鋼結(jié)構(gòu)。通過采用輕型橋面系結(jié)構(gòu)，主拱拱肋對基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平推力會(huì)大幅減少。

(2)設(shè)置基礎(chǔ)預(yù)偏心。5號(hào)墩、7號(hào)墩均向外側(cè)設(shè)置有0.5 m基礎(chǔ)預(yù)偏心，6號(hào)墩向邊跨側(cè)設(shè)置0.3 m基礎(chǔ)預(yù)偏心。

(3)采用自重較大的混凝土框架墩。5號(hào)墩、7號(hào)墩均采用預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩，并作為相鄰的引橋現(xiàn)澆連續(xù)梁邊跨的邊墩。

(4)對于中、小跨度鋼管混凝土拱橋，通過適當(dāng)增大基礎(chǔ)工程量抵抗水平推力。本橋基礎(chǔ)通過采用較大直徑的樁基礎(chǔ)，5號(hào)墩采用φ2.5 m樁基礎(chǔ)，6號(hào)、7號(hào)墩采用φ2.0 m樁基礎(chǔ)。

3.4 施工方法

本橋施工水深不到2.0 m，基礎(chǔ)采用鋼板樁圍堰施工。主拱采用分節(jié)段支架施工。待主拱施工完成后安裝主拱跨中吊桿及拱上立柱。橋面系鋼橫梁采用工廠制造，現(xiàn)場起吊安裝；鋼縱梁現(xiàn)場起吊用螺栓固定在鋼橫梁牛腿上；橋面板現(xiàn)場預(yù)制，起吊安裝在橫梁之上，再進(jìn)行縱、橫向濕接縫現(xiàn)澆。最后進(jìn)行橋面現(xiàn)澆層及瀝青混凝土鋪裝，以及橋面附屬工程安裝。

4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主拱

主跨拱肋采用中承式雙肋無鉸平行拱，拱肋中心距27.5 m，計(jì)算跨徑為142 m，拱肋矢跨比為1/5，拱肋軸線理論矢高為71.0 m，拱軸線采用m=1.34懸鏈線線形；邊跨拱肋采用上承式雙肋無鉸平行拱，拱肋中心距27.5 m，計(jì)算跨徑為61 m，拱肋矢跨比為1/6.1，拱肋軸線理論矢高為10.0 m，拱軸線采用m=1.167懸鏈線線形。

拱肋均采用雙肋4管等高度全桁架截面，截面高3.0 m，中心桁高2.25 m，截面寬2.0 m，中心桁寬1.25 m。每根弦管直徑750 mm，弦管管內(nèi)均灌注C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。腹管及平聯(lián)管均采用φ400×10 mm空鋼管。桁架拱肋跨中截面如圖3所示。

圖3 桁架拱肋跨中截面(單位：mm)

由于本橋拱腳段拱肋在汛期將有部分高度淹沒于水中，因此，在拱腳設(shè)置有1.0 m高的混凝土外包實(shí)體段。主跨橋面以上兩榀拱肋之間設(shè)置3道“I”字形橫撐，橋面以下設(shè)置2道肋間橫梁；邊跨橋面以下設(shè)置有2道“I”字形橫撐，3道肋間橫梁。

4.2 拱肋橫撐

根據(jù)橫向穩(wěn)定的需要，主跨橋面以上2榀拱肋之間設(shè)3道橫撐，邊跨橋面以下2榀拱肋之間設(shè)2道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根φ450×10 mm主鋼管和64根φ250×10 mm鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其內(nèi)外表面均需作防腐處理。

4.3 肋間橫梁

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的需要，主跨橋面以下設(shè)置了2道肋間橫梁，肋間橫梁距主拱拱腳中心距14.3 m；邊跨橋面以下設(shè)置了3道肋間橫梁，肋間橫梁位于跨中及距跨中8.1 m處。肋間橫梁為橋面板的支撐橫梁，橫梁長37.5 m，截面為變高度鋼箱梁截面，中心箱高為1.5 m，寬為1.0 m，頂?shù)装鍨楹?2 mm的鋼板，腹板為厚16 mm的鋼板，腹板設(shè)置有1道水平加勁肋，頂?shù)装甯髟O(shè)置1道水平加勁肋。橫梁在每個(gè)支座下每隔1.4 m設(shè)置1道橫隔板。

4.4 橋面系(圖4)

橋面系采用懸吊或支撐體系。橋面結(jié)構(gòu)由鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成[13-14]。

鋼橫梁長37.5 m，截面為變高度鋼箱梁截面，中心箱高為1.5 m，寬為0.8 m，頂板為厚20 mm的鋼板，底板為20 mm～32 mm～44 mm不等厚鋼板，腹板為厚16 mm的鋼板，腹板設(shè)置有1道水平加勁肋，頂?shù)装甯髟O(shè)置1道水平加勁肋。橫梁在每個(gè)支座下每隔1.4 m設(shè)置1道橫隔板。

鋼縱梁采用熱軋H型鋼，全橋共設(shè)置4組鋼縱梁，用于增強(qiáng)橋面的整體性并支承鋼梁檢查車的軌道。

橋面板由預(yù)制∏形C50鋼筋混凝土板和現(xiàn)澆橋面鋪裝層構(gòu)成。預(yù)制∏形板全高36 cm，板厚10 cm，肋寬25 cm，標(biāo)準(zhǔn)橋面板每塊∏形板寬230 cm。預(yù)制板縱向接縫寬50 cm、橫向接縫寬50 cm，接縫混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土?！切伟屙斆娆F(xiàn)澆8 cm厚鋼纖維混凝土(設(shè)計(jì)中考慮其參與∏形板的受力)。橋面鋪裝采用8 cm厚改性瀝青混凝土。

主跨跨中橋面荷載直接由鋼橫梁與橋面板組成的組合梁承擔(dān)。荷載由組合梁傳遞給吊桿，最后傳遞給拱肋。其余橋面板支承在橋墩蓋梁或拱頂立柱上。鋼橫梁、鋼縱梁、橋面板組成了長203 m、寬37.5 m的整體連續(xù)板結(jié)構(gòu)。

圖4 橋面系結(jié)構(gòu)(單位：cm)

4.5 吊桿

主橋吊桿采用橫向雙吊桿體系，主橋共設(shè)26對吊桿，吊點(diǎn)中心距為8.1 m。單根吊桿采用73-φ7 mm環(huán)氧涂層平行鋼絲索，兩端采用PES7-73冷鑄墩頭錨，索外包擠黑色防護(hù)套并設(shè)不銹鋼護(hù)套管。

4.6 拱上立柱

主跨每榀拱肋上設(shè)置2個(gè)立柱；邊跨每榀拱肋上設(shè)置4個(gè)立柱，立柱直徑均為1.00 m鋼管混凝土，壁厚12 mm，管內(nèi)灌注C50混凝土。立柱上設(shè)墊石及支座，立柱下設(shè)鋼箱墊座，墊座平面為1.5 m×1.5 m，墊座與主拱弦管通過鋼板焊接。

4.7 橋墩

兩邊墩采用預(yù)應(yīng)力框架墩，墩柱采用3.0 m×2.5 m C40鋼筋混凝土矩形截面，墩高3.5 m。蓋梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土矩形截面，長36.5 m，寬3.0 m，高3.0 m，蓋梁布置26根15-7φ5(19-7φ5)預(yù)應(yīng)力鋼束，錨下張拉控制應(yīng)力均為1 302 MPa；中墩采用雙獨(dú)柱墩，墩柱采用直徑2.0 m、C40鋼筋混凝土圓柱形截面，墩高6.0 m。

4.8 拱座

每個(gè)橋墩設(shè)有2個(gè)分離的拱座，拱座為圓端形臺(tái)體，為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。兩邊墩拱座高為4.0 m，頂面順橋向分別為2.5 m及3.8 m，橫橋向4.0 m，底面順橋向長均為9.0 m，橫橋向端部均為10 m，在水流方向?yàn)閳A端形，半徑為10.625 m。中墩拱座高為4.0 m，頂面順橋向3.15 m，橫橋向4.0 m，底面順橋向長均為9.0 m，橫橋向端部均為10 m，在水流方向?yàn)閳A端形，半徑為10.625 m。

4.9 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

每個(gè)橋墩設(shè)有2個(gè)分離的承臺(tái)及基礎(chǔ)，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)均為C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為減少樁基礎(chǔ)配筋，在兩邊墩均向外側(cè)設(shè)置有0.5 m預(yù)偏心；中墩向邊跨側(cè)設(shè)置有0.3 m預(yù)偏心。

5號(hào)橋墩：承臺(tái)尺寸17.4 m(長)×17.4 m(寬)×5.5 m(高)，每個(gè)承臺(tái)下布置9根φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計(jì)，行列式布置，樁長30 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設(shè)1道加強(qiáng)箍，加強(qiáng)箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

6號(hào)橋墩：承臺(tái)尺寸13.9 m(長)×13.9 m(寬)×4.0 m(高)，每個(gè)承臺(tái)下布置9根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計(jì)，行列式布置，樁長27 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設(shè)1道加強(qiáng)箍，加強(qiáng)箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

7號(hào)橋墩：承臺(tái)尺寸13.9 m(長)×13.9 m(寬)×4.0 m(高)，每個(gè)承臺(tái)下布置9根φ2.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)按摩擦樁設(shè)計(jì)，行列式布置，樁長32 m，樁基鋼筋籠主筋為φ28 mm鋼筋，箍筋采用φ10 mm螺旋形鋼筋，樁頂、樁底及樁身每隔2 m設(shè)1道加強(qiáng)箍，加強(qiáng)箍為φ28 mm的螺紋鋼筋。每根樁均要求埋置4根超聲波探測管，沿樁周等間距布置。

5 主要計(jì)算結(jié)果

5.1 位移

本橋142 m跨主拱最大豎向撓度為0.075 mL/1 000=0.061 m，橋面板最大豎向撓度為0.008 0

5.2 強(qiáng)度

根據(jù)《公路鋼管混凝土橋設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.2條，按照鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算公式(1)進(jìn)行驗(yàn)算。

γN≤φ1φeKpKdfscAsc

(1)

式中，長細(xì)比折減系數(shù)取φ1=1.0；彎矩折減系數(shù)φe根據(jù)規(guī)范由截面偏心距及其增大系數(shù)和組合截面的半徑計(jì)算得出；初應(yīng)力折減系數(shù)Kp取0.9；計(jì)入鋼管管內(nèi)混凝土脫空影響；折減系數(shù)Kd取0.95；重要性系數(shù)γ取1.1。fsc為鋼管混凝土組合軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asc為鋼管混凝土組合截面面積；N為軸向力設(shè)計(jì)值。

計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5.3 穩(wěn)定性

全橋穩(wěn)定性分析采用Midas空間有限元程序，拱肋、平聯(lián)、立柱、橫梁、承臺(tái)采用三維梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，承臺(tái)底采用彈性約束。運(yùn)營狀態(tài)，全橋結(jié)構(gòu)在各種工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)最小為32，表現(xiàn)為主拱1階對稱橫彎失穩(wěn)，滿足規(guī)范規(guī)定。如表1及圖5所示。

表1 運(yùn)營階段穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 運(yùn)營狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)(主拱1階對稱橫彎)

6 結(jié)語

本橋首次采用一種混合承式不對稱跨度有推力鋼管混凝土拱橋方案，設(shè)計(jì)總結(jié)如下。

(1)一般系桿拱橋通過在橋面以下設(shè)置系桿來減小主拱水平推力，而本橋型由于主拱為中承式+上承式形式，橋面系采用漂浮體系，通過設(shè)置系桿來減小主拱水平推力并不合適。對于中、小跨度鋼管混凝土拱橋，通過適當(dāng)增大基礎(chǔ)工程量抵抗水平推力，能滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)本橋型為不對稱有推力鋼管混凝土拱橋，為減小主拱水平推力，橋面板采用高度僅36 cm混凝土板，橫梁、縱梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，通過采用輕型的橋面系結(jié)構(gòu)，有效減小了主拱水平推力。

(3)由于本橋型基礎(chǔ)水平力相對于豎向力較大，樁基配筋較為困難，通過采用大直徑的樁基礎(chǔ)、設(shè)置基礎(chǔ)預(yù)偏心以及采用自重較大的混凝土框架墩的方法得以改善。

本橋橋型造型美觀、結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，充分考慮了與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。大橋已于2017年7月開工建設(shè)，建成之后必將成為信陽市新的標(biāo)志性建筑，可為今后市政景觀橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

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