曹海順

(上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司， 上海 200437)

對(duì)于中承式多跨拱橋，從減小基礎(chǔ)承受相鄰跨不平衡水平推力考慮，通常選用中間等跨方案；這樣中墩僅需考慮施工荷載和單邊最不利活載產(chǎn)生的水平力，用基礎(chǔ)來抵抗也比較容易滿足。然而，邊跨跨徑一般較小且多采用上承式(也有部分橋采用中承式邊跨)，即使采用小的矢跨比和較大的恒載集度，邊墩兩側(cè)的相鄰跨恒載產(chǎn)生的水平推力往往仍不能互相平衡。當(dāng)橋位處有比較好的天然地基且橋墩不高[4]時(shí)，可由邊墩的基礎(chǔ)承受。而當(dāng)?shù)鼗鶙l件不好時(shí)，一般需要設(shè)置系桿來抵抗邊墩承受的水平力。

多數(shù)時(shí)候，由于受地形、通航等條件的限制，或考慮與橋面縱坡協(xié)調(diào)一致、兼顧橋梁景觀等，中間需采用不等跨方案。此時(shí)，中墩由于相鄰跨的恒載水平推力不相等，且這種不平衡推力往往難于通過調(diào)節(jié)相鄰跨的矢跨比、恒載集度來消除，這時(shí)需要通過設(shè)置系桿索來解決中墩的水平力問題。濟(jì)寧泗河大橋出于景觀考慮，采用了5跨不等跨連續(xù)中承式系桿拱橋方案，本文介紹該橋的系桿布置及設(shè)計(jì)。

1 工程概況

濟(jì)寧泗河大橋[1]是環(huán)湖大道東線工程跨越泗河的一座大型橋梁，主橋?yàn)?跨(30+95+130+95+30)m連續(xù)中承式系桿拱橋，橋?qū)?4.5 m，兩榀拱肋各設(shè)在機(jī)非分隔帶內(nèi)，拱肋總體內(nèi)傾10°形成提籃拱，其總體布置及橫斷面見圖1、圖2。橋梁設(shè)計(jì)荷載：汽車，公路-Ⅰ級(jí)；人群，2.6 kN/m2。

單位：m

單位：m

拱肋分為上、下2肢。主跨下肢理論跨徑130 m，矢跨比1/3.467；次跨下肢理論跨徑95 m，矢跨比1/3.654；拱軸線在拱肋斜平面內(nèi)為二次拋物線。邊跨下肢軸線由直線及1.5次拋物線組成。邊(中)三角區(qū)的上肢均采用圓曲線與下肢曲線平順。上、下肢拱肋均采用等高度鋼箱截面，寬度均為2.0 m。橋面以上拱肋間設(shè)置扁平箱型板式橫撐。

主橋加勁梁采用正交異性橋面板鋼箱梁，在與拱肋斜平面對(duì)應(yīng)位置沿全長(zhǎng)設(shè)置箱型縱梁。邊(中)三角區(qū)加勁梁在車行道范圍采用閉口鋼箱梁，人行道和非機(jī)動(dòng)車道范圍采用工字橫梁體系。吊索區(qū)加勁梁采用開口鋼箱梁，即雙主梁(箱型縱梁)+橫梁結(jié)構(gòu)體系。箱梁頂板設(shè)2%雙向橫坡，底板橫向?yàn)槠狡?，設(shè)計(jì)道路中心線處梁高2.0 m。加勁梁通過吊桿或立柱支撐于拱肋，吊索區(qū)的兩端設(shè)置伸縮縫。

主橋三角區(qū)的加勁梁與拱肋下肢固結(jié)形成剛架，并與上肢、立柱共同形成桁架結(jié)構(gòu)。吊桿采用環(huán)氧噴涂鋼絲拉索體系，兩端均采用冷鑄錨錨固。主墩和邊墩均為群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)呈啞鈴型；過渡墩為樁柱接蓋梁的排架墩，樁基均采用Φ1.8 m鉆孔灌注樁。

2 系桿布置方案

2.1 必須布置與主拱肋對(duì)應(yīng)的節(jié)段索的驗(yàn)證

運(yùn)用MIDAS軟件建立全橋空間桿系模型，基礎(chǔ)以彈性支承模擬，系桿以體外索模擬。分析在不同的系桿布置方案和張拉力情況下，成橋階段各墩基礎(chǔ)承受的水平力。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅在兩邊跨的端橫梁之間布置通長(zhǎng)索時(shí)，張拉系桿可以使邊墩兩側(cè)水平力接近，但主墩基礎(chǔ)存在較大的水平反力。如圖3(a)所示，在對(duì)系桿施加適當(dāng)?shù)睦筮叾諆H有9.0 kN的水平反力，而主墩存在1 465.7 kN的水平反力。

增加系桿的張拉力，增量與主墩基礎(chǔ)承受的不平衡水平力相同(1 465.7 kN)，此時(shí)，邊墩基礎(chǔ)已承受與系桿拉力反向的水平力(-1 371.9 kN)，而主墩基礎(chǔ)原先存在的水平反力卻變化很小，僅減小了約63.8 kN，如圖3(b)所示?？梢?，僅布置通長(zhǎng)索對(duì)平衡主墩兩側(cè)的水平力作用較小。

(a) 張拉系桿使邊墩兩側(cè)水平力平衡工況

(b) 增加系桿的張拉力工況

在上述兩端橫梁之間布置通長(zhǎng)索的同時(shí)，增加布置與主拱肋對(duì)應(yīng)的節(jié)段索，恒載作用下的基礎(chǔ)水平反力如圖4所示。在對(duì)通長(zhǎng)索和節(jié)段索分別施加適當(dāng)?shù)膹埨?，邊墩僅有11.6 kN的水平反力，主墩也僅有16.6 kN的水平反力，基礎(chǔ)所受不平衡水平力均很小。

單位：kN

可見，通過組合布置與主拱肋對(duì)應(yīng)的節(jié)段索及通長(zhǎng)索，可實(shí)現(xiàn)在邊墩兩側(cè)的水平力基本平衡的同時(shí)，主墩的水平力也基本平衡。

2.2 系桿布置方案

對(duì)于5跨連續(xù)中承式拱橋，在考慮布置與主拱肋對(duì)應(yīng)的節(jié)段索的基礎(chǔ)上，其系桿的布置仍可有如下2種方案：1) 方案1，主拱、次拱各自采用節(jié)段索，可同時(shí)滿足施工階段和使用階段的要求，如圖5所示；2) 方案2，主拱、次拱在施工階段各自采用節(jié)段索，在成橋階段采用通長(zhǎng)索，并在主拱范圍內(nèi)采用節(jié)段索，如圖6所示。

圖5 系桿布置方案1

圖6 系桿布置方案2

其中的節(jié)段索長(zhǎng)度，又分為系桿僅布置在拱梁相交點(diǎn)而不穿過三角區(qū)縱梁、系桿布置長(zhǎng)度超過拱梁相交點(diǎn)并延伸到三角區(qū)的另一側(cè)。主拱、次拱各自的節(jié)段索布置方案如圖7所示。

方案1

方案2

方案3

方案1

方案2

單位：m

圖7主拱、次拱的節(jié)段索布置方案

Fig.7 Staged tie arrangement scheme of main arch and secondary arch

主拱和次拱各自均采用節(jié)段索，方案的組合可以有多種。各組合方案的主墩、邊墩兩側(cè)的不平衡水平力基本接近，拱肋的內(nèi)力、拱肋及縱梁等構(gòu)件在活載作用下的應(yīng)力幅不受節(jié)段索布置長(zhǎng)度的影響。由于節(jié)段索的水平力作用，索的布置長(zhǎng)度會(huì)改變縱梁的軸力分布，但基本不影響縱梁的尺寸設(shè)計(jì)。最終選用何種節(jié)段索方案，需從布置系桿錨固構(gòu)造的便利和可靠、張拉系桿的可實(shí)施性等方面?zhèn)戎乜紤]。

3 系桿設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

泗河大橋采用通長(zhǎng)索、主跨節(jié)段索組合布置的方案，使主墩及邊墩的基礎(chǔ)均承受較小的水平力。為平衡次跨拱肋的水平推力，在主橋兩端橫梁之間的縱梁內(nèi)布置通長(zhǎng)水平拉索，每榀拱肋設(shè)4束，以縱梁中心為基準(zhǔn)布置。

為平衡主跨吊索區(qū)荷載產(chǎn)生的部分水平推力，在主跨兩端中三角區(qū)橫梁之間的加勁梁邊腹板外側(cè)布置水平拉索，每榀拱肋設(shè)2束，以腹板1/2高度為基準(zhǔn)布置。

通長(zhǎng)索或節(jié)段索均采用新型鋼絞線系桿體系，全防腐結(jié)構(gòu)、可調(diào)可換。每束索體由22Φs15.2鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，雙層PE防護(hù)。通長(zhǎng)索設(shè)計(jì)索力2 450 kN，節(jié)段索設(shè)計(jì)索力2 305 kN，安全系數(shù)均大于2.0。

3.2 系桿支承

系桿設(shè)置從使用階段的檢修、更換方便考慮，通常布置在橋面以上，并間隔一定距離布置滾軸支承，以減小索的下垂和摩擦損失，確保拉索的正常受力與伸縮變形。也有將系桿連同其保護(hù)箱一起隱藏在橋面板或人行道內(nèi)的，成為永久保護(hù)。

泗河大橋的系桿索存在水平和豎向的組合曲線，呈空間曲線。從橫向空間及有利布置轉(zhuǎn)向考慮，布置在鋼橋面板以下。通長(zhǎng)索布置在箱型縱梁內(nèi)，箱內(nèi)每道橫隔板上均開設(shè)了4個(gè)Φ250 mm索孔。主跨節(jié)段索布置在縱梁箱外靠人行道側(cè)，在每道橫梁腹板上均開設(shè)了2個(gè)Φ250 mm索孔。在索孔的下方設(shè)置鋼托架及尼龍襯墊，用于索的穿越及支承，并在索的平面轉(zhuǎn)角處設(shè)置了轉(zhuǎn)向塊[13]。托架及轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造如圖8所示。

3.3 系桿錨固

通長(zhǎng)索的兩端錨固于箱型縱梁內(nèi)的錨箱，考慮拉索張拉的要求，錨墊板設(shè)置于端橫梁腹板對(duì)應(yīng)的縱梁橫隔板上，距離支座中心2.2 m。錨箱內(nèi)的加勁板根據(jù)力線傳遞規(guī)律、并結(jié)合縱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)，其構(gòu)造如圖9所示。

(a) 系桿支承橫橋向布置

(b) A大樣

(c) Ⅰ-Ⅰ視圖

主跨節(jié)段索的錨固點(diǎn)位于全橋中段，而全橋縱梁一般連續(xù)布置。若拉索布置在縱梁箱內(nèi)，存在千斤頂進(jìn)出箱室不便、張拉空間局促等缺點(diǎn)，可優(yōu)選將拉索布置在箱側(cè)面或頂部的方案，其錨點(diǎn)的布置需考慮與拱肋、主梁橫隔板等的關(guān)系。當(dāng)節(jié)段索布置在橋面以上時(shí)，錨固點(diǎn)可選擇在拱梁交點(diǎn)的拱背處，施工比較方便，但鋼錨箱上方的圓弧區(qū)域需要進(jìn)行防水設(shè)計(jì)[3]，其布置示意如圖10所示。

(a) 立面

(b) 橫斷面

圖10 拱背處系桿錨箱立面布置示意

鑒于泗河大橋主跨節(jié)段索布置于鋼橋面板以下箱型縱梁腹板的外側(cè)，借鑒斜拉索與鋼主梁的錨箱式[5]錨固方式，系桿的錨固也采用在腹板側(cè)面布置鋼錨箱的方案，其構(gòu)造如圖11所示。

4 結(jié)束語

泗河大橋?yàn)槎嗫绮坏瓤缰谐惺较禇U拱橋，存在相鄰跨的恒載水平推力不相等問題，通過組合配置通長(zhǎng)索及主跨節(jié)段索，使各墩的基礎(chǔ)所受不平衡水平力均較小。

泗河大橋的系桿索均呈空間狀，從有利轉(zhuǎn)向和支承考慮，布置在鋼橋面板以下。通長(zhǎng)索錨固于縱梁兩端橫隔板的錨箱上，節(jié)段索錨固于腹板側(cè)面的鋼錨箱，滿足了傳力可靠和張拉方便的要求。

通過本文對(duì)主橋系桿的設(shè)計(jì)介紹，以期對(duì)類似橋梁設(shè)計(jì)有所參考。

(a) 立面

(b) Ⅰ-Ⅰ斷面視圖