武電坤，楊興，馮鵬程

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 ， 湖北 武漢 430056)

隨著中國(guó)逐步由橋梁大國(guó)邁向橋梁強(qiáng)國(guó)，拱橋的設(shè)計(jì)施工技術(shù)相應(yīng)得到較大發(fā)展，其中鋼管混凝土拱橋?yàn)轶w現(xiàn)其發(fā)展的突出橋型之一。在省國(guó)道等公路工程中，自2005年建成主跨460 m的巫山長(zhǎng)江大橋以來(lái)，于2013年又建成530 m跨的合江長(zhǎng)江一橋，到目前在建的575 m跨廣西平南三橋，均表明橋梁規(guī)模在不斷擴(kuò)大、建設(shè)技術(shù)全面提升。技術(shù)方面，也提出了多項(xiàng)創(chuàng)新，如貴州總溪河大橋和香火巖特大橋，主拱圈弦管與腹桿、斜撐采用新型的“栓焊結(jié)合”節(jié)點(diǎn)，主弦管內(nèi)壁通過(guò)設(shè)置栓釘來(lái)增強(qiáng)鋼-混結(jié)構(gòu)組合效應(yīng)；廣西平南三橋?qū)⒌剡B墻基礎(chǔ)應(yīng)用于拱橋，解決了地質(zhì)情況較差地段拱座基礎(chǔ)承載力問(wèn)題。但是，上承式鋼管混凝土拱橋規(guī)模自2009年支井河大橋跨度達(dá)430 m后，多年一直沒(méi)有突破。大小井特大橋的建設(shè)，總結(jié)了近幾年類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合橋址處的地形、地質(zhì)條件，推動(dòng)了此類橋型的發(fā)展。

1 工程概況

大小井特大橋?yàn)槠搅_高速公路一項(xiàng)控制性工程。該橋橫跨壩王河，地面自然標(biāo)高為425～650 m，地形呈典型的擴(kuò)口式“U”字形，谷頂寬約610 m，兩側(cè)岸坡按緩-陡-緩的趨勢(shì)分布。適應(yīng)此地形的橋型較多，綜合地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)性、美觀性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等多方面對(duì)比分析，主橋確定為上承式鋼管混凝土拱橋方案。橋跨布置分為7聯(lián)，由9×40 m(T梁)+15×31.6 m(橋面系組合梁)+16×40 m(T梁)組成，其中主橋計(jì)算跨徑為450 m，橋型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋型總體布置圖(單位：m)

橋位屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，季節(jié)較明確，全年氣溫平均為17 ℃，極端最低、最高氣溫為-7.7、38.1 ℃。跨越河流為珠江流域西江干流紅水河段支流，常水位為428 m，計(jì)算洪水位為433.13 m。通過(guò)電磁波CT等物探技術(shù)，查明兩岸拱座處巖體局部軟硬不均，裂隙發(fā)育程度不一，需對(duì)基座的變形嚴(yán)加控制，其中羅甸側(cè)拱座處局部存在溶洞，但有填充物且相對(duì)獨(dú)立。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)荷載采用公路-Ⅰ級(jí)；橋?qū)?4.5 m，按雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，主橋橋面系和引橋分幅考慮；橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度7度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》建議，鋼管混凝土拱橋跨徑大于300 m時(shí)建議采用變截面桁架結(jié)構(gòu)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)拱肋斷面大多采用“四肢”格構(gòu)形截面，部分采用“六肢”格構(gòu)形截面。對(duì)比兩種拱肋截面，發(fā)現(xiàn)相同的主拱圈寬度和應(yīng)力控制下，后一種截面并不能有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，反而增加了桿件數(shù)量，因此該橋選擇了計(jì)算跨徑為450 m的等寬變高雙四肢式拱肋桁架拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸線系數(shù)m=1.55，矢高h(yuǎn)=100 m，矢跨比為1/4.5。

2.1 主拱圈

主拱圈共分14節(jié)段，其中1～4節(jié)段弦桿采用Q390D鋼材，其余均為Q345D鋼材。拱頂?shù)焦澳_截面高度由8 m變化至14 m，拱肋中心寬4 m，兩肋之間設(shè)置豎聯(lián)和平聯(lián)，橫橋向外鋼管中心總寬20 m(圖2)。拱肋間橫聯(lián)形式對(duì)主拱圈桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗扭性能都有較強(qiáng)的敏感性。該橋主拱圈跨寬比接近21，橫向穩(wěn)定性是首要解決的問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，上、下弦管設(shè)置26道米字形和4道K字形平聯(lián)，并在立柱位置增設(shè)豎向連接桿件，基本形成了桁架箱形結(jié)構(gòu)。單片拱肋內(nèi)部縱向每隔7.9 m設(shè)置了腹桿、橫撐和K字形剪力撐，大大提高了主拱圈剛度。

圖2 主拱圈標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

由底至頂，拱肋上弦管壁厚為35-28-32 mm，下弦管壁厚為35-32-28 mm，外徑均為1 360 mm。為減小橫橋向的風(fēng)荷載效應(yīng)，拱肋腹桿全采用鋼管，尺寸分別為(φ900×24) mm、(φ700×24) mm和(φ700×18) mm；橫撐采用(φ700×16) mm鋼管，平聯(lián)橫撐采用(φ900×20) mm、(φ700×16) mm或(φ600×16) mm鋼管。而豎聯(lián)和拱肋剪力撐為I500 mm×532 mm的型鋼，以減少現(xiàn)場(chǎng)焊接節(jié)點(diǎn)。弦管、與鉸相連的斜腹桿及銷(xiāo)軸鋼管內(nèi)灌注C60自密實(shí)微膨脹混凝土。為使鋼-混組合結(jié)構(gòu)更好地協(xié)同受力，降低管內(nèi)壁局部脫空的風(fēng)險(xiǎn)，在腹桿相連位置的弦管內(nèi)布置了剪力釘，并在立柱對(duì)應(yīng)的位置增設(shè)了開(kāi)孔加勁鋼板，以利于應(yīng)力擴(kuò)散，增強(qiáng)鋼管和混凝土的黏結(jié)效果。

該橋另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)為桿件尺寸大，受山區(qū)運(yùn)輸條件的限制，需要將桁架節(jié)段拆分為散件進(jìn)場(chǎng)，為避免因管件相連采用的相關(guān)焊接帶來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)施焊條件差、定位精度低、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、質(zhì)量較難保障等問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用短接頭連接(圖3)和栓焊節(jié)點(diǎn)方式解決。

圖3 短接頭連接示意圖

2.2 立柱和帽梁

拱上建筑是橋面荷載的主要傳力結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)是主拱圈受力合理與否的關(guān)鍵。立柱和蓋梁是拱上建筑重要組成部分，目前中國(guó)大跨上承式鋼管混凝土拱橋主要采用矩形截面鋼箱結(jié)構(gòu)、平斜綴桿格構(gòu)柱配鋼箱蓋梁或鋼筋混凝土蓋梁。由于該橋立柱高度為83.742～6.357 m，相差較大，邊立柱穩(wěn)定性問(wèn)題尤其重要，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)同質(zhì)量同外形尺寸下，圓管式格構(gòu)柱的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于鋼箱結(jié)構(gòu)，且可以大幅度降低風(fēng)荷載效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]等的研究，并考慮分段制作、加工、吊裝的便利性，該橋立柱選定為圓管式平綴桿格構(gòu)柱排架結(jié)構(gòu)(圖4)。依據(jù)結(jié)構(gòu)受力需求，立柱柱肢采用兩種鋼管規(guī)格(即φ700 mm×16 mm和φ600 mm×16 mm)，其順橋向中心距取2.2、2.0或1.6 m，同時(shí)并排的立柱之間設(shè)置必要的X形桁架橫撐增強(qiáng)穩(wěn)定性，并在邊三處高立柱部分灌注自密實(shí)微膨脹混凝土形成組合結(jié)構(gòu)。

圖4 拱上建筑構(gòu)造圖(單位：cm)

帽梁采用空心矩形薄壁等截面鋼箱結(jié)構(gòu)，腹板直接焊接到相應(yīng)的立柱鋼管壁上，頂板對(duì)應(yīng)立柱頂圍焊連接，與立柱形成一體化整體結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)主拱肋處底板檢修口，受力明確，更加便于安裝和后期維護(hù)。帽梁截面高1.8 m，橫向尺寸與立柱中心距相對(duì)應(yīng)。

2.3 橋面系

相比標(biāo)準(zhǔn)化混凝土T梁和小箱梁，鋼-混組合梁自重要減輕約30%，雙主梁形更加節(jié)約鋼材，該橋橋面系最終采用了跨徑31.6 m。其中鋼縱梁設(shè)計(jì)高2.1 m，單幅橫向間距6.5 m，上翼緣板厚度為30或45 mm，寬700 mm；下翼緣板厚度為30、40或50 mm，寬800 mm。沿橋向每3.95 m間距設(shè)一處工字形截面橫梁，為減少汽車(chē)沖擊效應(yīng)對(duì)伸縮縫的破壞，在該處設(shè)置為較強(qiáng)的混凝土橫梁。

橋面板寬12.24 m，懸臂長(zhǎng)2.87 m，鋼梁頂處厚45 cm，跨中厚30 cm，全寬預(yù)制，與防撞護(hù)欄座一起澆注形成整體，通過(guò)設(shè)置預(yù)留暗槽，同鋼縱梁采用均布剪力釘連接保障共同受力，規(guī)避了集束式釘群受力不均問(wèn)題，減少了空中施工難度。橋面板縱橋向按普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但為防止負(fù)彎矩區(qū)開(kāi)裂，支點(diǎn)處板采用先張工藝添加部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線；橫橋向按45 cm間距布置φs15.2-3鋼絞線，可達(dá)到B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

2.4 拱座部位

主、引橋交界墩置于拱座上，高分別為102.023、104.867 m，綜合考慮剛度和強(qiáng)度要求，選擇為“門(mén)”式框架箱形變截面空心薄壁墩，單肢橫橋向?qū)? m，順橋向自頂部4 m寬向下按照1∶100坡比變寬，帽梁采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

拱座結(jié)構(gòu)尺寸為30 m×28.7 m×20.649 m，配臺(tái)階狀基底的擴(kuò)大基礎(chǔ)，要求嵌入穩(wěn)定、完整的中風(fēng)化巖層。由于該區(qū)存在地質(zhì)溶蝕以及軟弱的地質(zhì)夾層，需對(duì)地基進(jìn)行加固處理，因此在兩岸拱座處均配置了8根直徑3.5 m的基樁。拱座與其基礎(chǔ)采用C40和C30兩種標(biāo)號(hào)混凝土。拱肋弦桿、鉸軸連接腹桿在施工、運(yùn)營(yíng)階段容易引起應(yīng)力集中問(wèn)題，因此在與拱座連接處增設(shè)了外包混凝土，且拱肋上下弦桿橫向增加了綴板-混凝土組合結(jié)構(gòu)連接(圖5)。

圖5 拱座構(gòu)造圖(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)分析

利用計(jì)算軟件Midas/Civil 2012建立大小井特大橋的三維空間模型，按實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸將其主拱圈、拱上立柱、帽梁及橋面系縱橫梁等主要受力結(jié)構(gòu)離散為空間有限元桿件。依據(jù)該橋在施工階段以及成橋狀態(tài)下的不同荷載組合對(duì)其進(jìn)行靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定性分析。并通過(guò)有限元軟件Ansys對(duì)立柱與弦桿相接位置、拱座和橋面板吊裝進(jìn)行局部分析。

3.1 全橋計(jì)算

邊界條件：橋面系鋼縱梁和帽梁通過(guò)彈性連接模擬約束關(guān)系，剛度由板式橡膠支座相關(guān)參數(shù)確定。

施工順序：拱肋吊裝至合龍，灌注自密實(shí)微膨脹混凝土，拆除扣索并完成立柱和帽梁的安裝，最后施工橋面系及護(hù)欄等，計(jì)算時(shí)計(jì)入混凝土收縮、徐變效應(yīng)。

靜力計(jì)算荷載包括恒載、收縮徐變、汽車(chē)活載、溫度作用、風(fēng)荷載和基礎(chǔ)不均勻沉降，其中鋼護(hù)欄擋風(fēng)高度參閱歐洲規(guī)范(BS EN1991-1-4:2005)8.3.1條款取值，其他荷載均按照中國(guó)相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。荷載組合按規(guī)范要求的最不利效應(yīng)考慮，主要結(jié)果如下：

(1) 在施工過(guò)程中，拱肋未出現(xiàn)拉應(yīng)力，灌注混凝土前拱肋最大壓應(yīng)力為-68.8 MPa；成橋收縮徐變10年后，混凝土最大壓應(yīng)力為-10.42 MPa，弦管最大壓應(yīng)力雖達(dá)到-246.7 MPa，但滿足相關(guān)要求，其他桿件應(yīng)力水平也均在合理范圍內(nèi)。

(2) 在汽車(chē)活載作用下，該橋的主拱圈正負(fù)撓度絕對(duì)值之和為122 mm，遠(yuǎn)小于L/1 000的限值。

(3) 在考慮穩(wěn)定折減、脫空、鋼管初始應(yīng)力等影響因素后，主拱圈上下弦桿單管和組合截面承載力均滿足規(guī)范要求，且最小富余4.48%；橋面系按照組合前后內(nèi)力的疊加，可滿足強(qiáng)度要求。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)值組合下，主拱弦桿(指采用Q390D鋼部分)最大壓應(yīng)力為-270 MPa，內(nèi)部灌注的混凝土最大壓應(yīng)力-19.3 MPa；豎聯(lián)、平聯(lián)的最大壓應(yīng)力為-118 MPa，最大拉應(yīng)力為68.5 MPa；腹桿最大壓應(yīng)力為-152 MPa，最大拉應(yīng)力為127 MPa；橋面系鋼梁最大壓應(yīng)力為-137 MPa；立柱的最大壓應(yīng)力為-175 MPa。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(5) 采用彈性穩(wěn)定性特征值分析方法計(jì)算該橋穩(wěn)定性，其第1階模態(tài)表現(xiàn)為立柱縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為5.73；第2階模態(tài)為主拱對(duì)稱側(cè)向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為6.95，大橋的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

在計(jì)入交界墩影響的前提下開(kāi)展該橋的抗震計(jì)算，計(jì)算采用反應(yīng)譜和時(shí)程分析兩種方法，依據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。動(dòng)力分析結(jié)果顯示：該橋第1階模態(tài)周期為5.72 s，結(jié)構(gòu)有很好的自身耗能能力。在E1地震動(dòng)作用下，交界墩、主拱肋承載能力滿足結(jié)構(gòu)不受損傷，可繼續(xù)使用的抗震性能目標(biāo)；E2縱向地震動(dòng)作用下，主拱肋及其他構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài)，交界墩墩底雖進(jìn)入塑性狀態(tài)，但處于可修復(fù)狀態(tài)。

3.2 局部計(jì)算

3.2.1 拱座

兩岸拱座地質(zhì)條件比較特殊，存在軟弱夾層，結(jié)合地質(zhì)勘察資料提供的巖土參數(shù)，利用Ansys通用軟件建立拱座實(shí)體模型，進(jìn)行局部分析。

分析結(jié)果表明：增加樁基礎(chǔ)切實(shí)減少了周?chē)鷰r土的應(yīng)力水平和位移量，巖土最大豎向壓縮變形為2.2 mm；最大豎向壓應(yīng)力為-660 kPa。而拱座與拱肋相接觸位置最大主壓應(yīng)力為-6.0 MPa；擴(kuò)大基礎(chǔ)最大主壓應(yīng)力為-4.4 MPa；樁基最大剪應(yīng)力為0.5 MPa，主拉應(yīng)力為0.7 MPa，主壓應(yīng)力為-3.3 MPa，可滿足地基承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.2.2 柱腳

柱腳弦桿、腹桿、立柱及橫撐交匯的位置，受力比較復(fù)雜。通過(guò)實(shí)體模型分析發(fā)現(xiàn)，柱腳通過(guò)設(shè)置外包鋼筋混凝土，有效分散了集中應(yīng)力，弦桿最大Mises應(yīng)力為-214 MPa；腹桿局部點(diǎn)最大Mises應(yīng)力為-239 MPa；立柱最大Mises應(yīng)力為-135 MPa，均在合理范圍內(nèi)。

3.2.3 橋面板

暗槽的存在對(duì)橋面板截面在吊裝過(guò)程中有很大的削弱，需要合理設(shè)置吊點(diǎn)和確定到邊縱向的距離。經(jīng)計(jì)算，推薦8吊點(diǎn)方案，吊點(diǎn)布置在距板端縱向距離1.5 m，橫向倒角處。這時(shí)板的最大變形值僅1.6 mm，主拉應(yīng)力不超過(guò)1.8 MPa，槽口處連通的普通鋼筋應(yīng)力最大為1.44 MPa，均滿足要求。

4 施工特點(diǎn)

該橋采用常用的無(wú)支架斜拉扣掛纜索吊裝系統(tǒng)施工，主拱圈拱肋桁架、立柱及橋面系等分為多個(gè)節(jié)段安裝，體現(xiàn)出幾個(gè)特點(diǎn)：① 山區(qū)纜索吊裝質(zhì)量更大，最大重量約160 t；② 裝配化程度更高，鋼蓋梁整體對(duì)接安裝，橋面板全寬預(yù)制；③ 為保障安全，在拱肋懸拼至第8節(jié)段(共14節(jié)段)時(shí)，拱腳臨時(shí)鉸封固，后施工段通過(guò)扣索和智能監(jiān)控達(dá)到控制標(biāo)高和內(nèi)力的目標(biāo)。

5 結(jié)論

大小井特大橋計(jì)算跨徑達(dá)450 m，是繼支井河大橋在上承式鋼管混凝土拱橋類型中又一創(chuàng)舉，大小井特大橋于2019年6月建成。該橋整體輕柔美觀，與附近大山的巍峨相得益彰，有較好的景觀效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可總結(jié)以下幾方面供參考：

(1) 對(duì)于等寬鋼管混凝土拱橋，加強(qiáng)橫向連接可有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，若地質(zhì)條件允許建議適當(dāng)加大矢跨比，增強(qiáng)主拱圈軸向剛度，減小立柱高度。

(2) 合理利用平綴桿格構(gòu)形立柱的用鋼指標(biāo)及與混凝土的組合效應(yīng)，采用一體化帽梁的設(shè)計(jì)理念，既可以減輕拱上建筑的重量也可滿足穩(wěn)定性的要求。

(3) 建議大跨拱橋橋面系采用少主梁鋼-混組合梁，可有效減輕結(jié)構(gòu)重量和降低造價(jià)，方便提高裝配化程度。