钢管混凝土三肋系杆拱桥结构受力分析

刘全孟

（中国华西工程设计建设有限公司，四川成都 610031）

1 工程概况

某项目位于南充市横跨兰渝铁路南充火车站11道轨道，桥梁采用下承式钢管混凝土三肋系杆拱桥，计算跨径组合为1×120 m。桥面纵坡采用0.3%，横坡采用1.5%，主桥桥梁全长123.2 m。桥面横向布置为：1.5 m（边拱肋范围）+0.5 m（防撞墙）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墙）+12.25 m（行车道）+2.5 m（中央分隔带、防撞墙、中拱肋）+12.25 m（行车道）+0.5 m（防撞墙）+3 m（人行道）+0.5 m（防撞墙）+1.5 m（边拱肋范围），结构全宽38 m。

2 技术指标

（1）道路等级：城市主干道；双向6车道。

（2）路线线性标准：本桥位于直线上，桥面纵坡为0.3%；行车道1.5%双面坡，人行道2%向内单面坡。

（3）设计荷载：城-A级，人群荷载3.5 kN/m2。

（4）设计基准期：100年；桥梁设计使用年限100年。

（5）安全等级：一级；跨兰渝铁路净空约12 m。

3 主桥设计

3.1 钢管混凝土主拱及风撑概况

拱轴线形状直接影响到拱肋截面的受力，对于下承式系杆拱桥，桥面系重量通过均匀分布的吊杆传递给拱肋，拱肋在跨径方向承受的荷载相对均匀，选择2次抛物线为拱轴线是合理的。下承式系杆拱矢跨比不宜太小，矢跨比越小，系杆承受的拉应力越大，需要布置的预应力钢束就越多；其次横撑布置位置就会降低，容易使人产生压抑感，不美观。

拱肋的理论计算跨径为L0=120 m，计算矢高24 m，矢跨比f=1/5，理论拱轴线方程为y=4fx（L-x）/L02。桥面结构横梁采用预应力混凝土T型梁，顺桥向与系梁连接，行车道板采用5 m跨径钢筋混凝土空心板，先简支后结构连续。

全桥共设三榀钢管混凝土拱肋，拱肋截面为哑铃形，高300 cm，宽120 cm；钢管主材采用Q345qC钢材，内灌注C50微膨胀混凝土，上下主钢管直径为120 cm，钢管内设置厚度16 mm Q235加劲环形钢板。边肋钢管壁厚δ=16 mm，拱肋上下弦管之间连接腹板δ=16 mm，腹板间距60 cm；中肋钢管壁厚δ=24 mm，拱肋上下弦管之间连接腹板δ=24 mm，腹板间距60 cm；腹板间除拱脚面以外4.2 m范围及吊杆纵向1.0 m（边肋）、1.5 m（中肋）范围灌注混凝土外其余均不灌注混凝土，腹板线方向1 m对称设置一道横向加劲肋；腹板居中设一道纵向加劲肋。

拱肋之间共设7道一字组合横撑，横撑上、下弦管采用外径80 cm、壁厚δ=1 cm的钢管，横撑横向、竖向连接管采用外径40 cm、壁厚δ=1 cm的空钢管，钢结构受力满足相关要求[1]。

3.2 系杆、横梁和桥面构造

①系梁全长123.2 m，系梁梁高2.7 m；边系梁宽1.8 m，在梁端7.5 m范围内向外侧加宽至2.3 m，腹板厚45 cm，顶板厚40 cm，吊杆锚箱处实心段长1.2 m，边系梁配置20束15ϕs15.2和4束12ϕs15.2的钢绞线；中系梁宽3.5 m，腹板厚50 cm，顶板厚45 cm，吊杆锚箱处实心段长1.7 m，中系梁配置28束15ϕs15.2的钢绞线；系梁端拱脚处7.5 m采用C50聚丙乙烯纤维混凝土。

（2）横梁：全桥共设22道预应力混凝土中横梁和2道端横梁。中横梁采用T形实心截面，横梁底宽50 cm，横梁翼缘宽90 cm，每个中横梁配置6束9ϕs15.2的钢绞线。端横梁采用矩形空心截面，梁宽4.5 m，高3.5 m，顶板厚60 cm，腹板厚80 cm，每个端横梁配置18束15ϕs15.2的钢绞线。

（3）桥面板采用钢筋混凝土空心板梁，先简支后结构连续，梁高35 cm，边板宽147 cm，中板宽124 cm，板梁间隙1 cm，采用绞缝连接，预制标准段长度4.5 m（中跨）和4.75 m（边跨），两侧预留25 cm的现浇段，车行道板直接放置在横梁上，不设支座；铰缝混凝土采用小石子混凝土。

3.3 拱桥吊杆及吊杆锚箱

三片拱肋共设66对吊杆，边肋单吊杆，中肋为双吊杆，第一根吊杆理论中心线距离支点7.5 m，其余吊杆理论中心线间距均为5.0 m。每根吊杆均由85丝直径7 mm的PES.HY（FD）低应力全防腐、高强环氧喷涂钢丝组成，双吊杆之间纵向间距73 cm。在距梁顶3 m范围内，于吊杆PE护套外，加设0.5 mm厚的不锈钢管予以防护。吊杆的张拉端位于拱肋上端。下锚箱设计参考了文献[2]；下锚箱设计为锚固端，吊杆端头的锚杯和钢箱之间通过螺母和锚垫板N2传递力；在螺母和N2钢板之间设置万向脚装置，适应二者之间的变形要求。钢板之间均有焊缝，采用熔透焊缝；N2钢板为长420 mm、宽420 mm和厚40 mm；两块N1钢板为宽420 mm和厚40 mm，每块钢板设置12根的直径32 mm的HRB400螺纹钢筋作为锚筋锚固于系梁混凝土中。为了减少拉板和预应力混凝土系杆连接处应力集中和改善下锚箱周围积水情况，在主梁顶部锚箱周围设置了高度10 cm的混凝土排水台，凸台顶面要求抹流水坡，向上微拱形成高差快速排水，侧面设置4 mm侧封门，侧封门和N1钢板用用螺栓连接，中间加一圈橡胶垫密封，锚箱内锚具应涂抹专用防腐油脂防腐，锚箱顶端设计防水盖板和锚箱和套筒连接牢靠，所有钢结构都进行防护涂装。

3.4 拱脚设计

对于采用钢管混凝土拱肋、预应力混凝土结构的下承式系杆拱桥，在纵梁及端横梁相交位置设置钢筋混凝土拱座。钢管混凝土系杆拱桥拱脚位置需要设计纵向横向和竖向预应力，受力复杂，设计时候要考虑施工过程中钢束之间相互关系，避免出现矛盾，无法施工。钢管拱端部设置承压板和对应的加劲肋，腹板之间设置开孔钢板分段焊接，主管周围焊接直径22 mm高150 mm焊钉。

为了提高拱脚的受力性能采用了如下措施：①拱脚混凝土采用C50聚丙烯纤维混凝土。②拱脚设置3ϕs15.2竖向低松弛预应力钢绞线。③拱脚两侧外包14 mm厚度的钢板，两侧钢板设置对拉钢筋并焊接牢固，拱背设计14 mm厚度的钢板和两侧钢板焊接。

3.5 下部结构和附属结构

本桥下部结构承台基础采用直径200 cm（中墩）和直径180 cm（边墩）钻孔灌注桩基础，钢筋混凝土承台厚度为3.5 m（中墩）和3.0 m（边墩），桩基按嵌岩桩设计，桩基础和承台采用C35混凝土。墩柱及盖梁采用矩形实心截面，中墩截面4.0 m×3.5 m，边墩截面2.6 m×3.5 m，盖梁截面4.5 m×2.5 m，在盖梁引桥两侧设置垫梁。墩柱为C50钢筋混凝土，盖梁为C50预应力混凝土，配置24束12ϕs15.2的钢绞线。

桥梁每侧设置2道防撞墙，人行道内侧及中央分隔带两侧采用SS级防撞墙，人行横道侧采用SA级防撞墙和防抛网；桥梁两侧设置异物侵限监控系统。桥梁每侧按5 m设计一个100 mm横向排水管；接入纵向直径300 mm纵向排水管。

4 主要施工步骤

（1）施工下部桥墩结构，工厂制作拱肋钢构件。

（2）搭设施工系杆支架；并进行预压以消除非弹性变形影响。

（3）在支架上立模浇注分5段浇筑主梁，先浇筑跨中梁段1，然后浇筑梁段2，再浇筑梁段3；注意保证箱梁截面一次形成及系梁的预拱度，张拉系梁纵向第一批钢束。

（4）浇筑端横梁及分批浇筑中横梁，张拉横梁部分预应力钢束N1、N3。

（5）搭设拱安装支架，安装拱肋并灌注管内混凝土，对称张拉系梁纵向第二批钢束。

（6）安装吊杆，并第一次张拉。拆除主纵梁支架张拉系梁纵向第三批钢束，张拉所有中横梁N2钢束。

（7）安装预制桥面板，第二次张拉吊杆，桥面系施工。

（8）全桥施工完成，进行静载试验。

5 结构内力分析

对主桥采用Midas Civil进行全桥计算分析；拱桥拱肋、系杆、端横梁、中横梁采用梁单元，桥面板采用板单元，吊杆采用只受拉桁架单元建模。全桥计算模型如图1所示。

图1 全桥计算模型

三片拱肋的系杆拱桥，荷载在三个拱肋之间的分配比例与结构自重的分布、桥梁横断面的布置情况等关系密切，空间特征明显。

5.1 系杆及端中横梁受力情况

边系杆、中系杆、端横梁和中横梁的抗剪和抗弯均满足要求[3-4]。系杆、端中横梁应力情况如表1所示。

表1 系杆、端中横梁应力情况

5.2 吊杆验算

吊杆设计中，在成桥阶段吊杆的恒载内力基本均匀，恒载最小值1044 kN，恒载最大值1433 kN；吊杆由拉索组成；拉索选用规格为单根85ϕ7的钢丝成品吊杆索，ϕ7钢丝吊杆破断力按钢丝强度σb=1670 MPa计算，破断力5463 kN，标准组合下最大组合内力1588 kN，5463/1588=3.44＞3，吊杆的安全储备度满足要求[5]。

5.3 挠度验算

城市－A级车道活载最大竖向位移为16.8 mm，最小竖向位移为-3.0 mm；人群活载最大竖向位移为3.4 mm，最小竖向位移为-1.0 mm；活载绝对挠度为（16.8+3.0+3.4+1.0）=24.2 mm，挠跨比为0.0242/120=1/4959＜1/1000，拱肋刚度满足要求规规范要求[5]。

5.4 稳定计算

主拱圈存在稳定问题，且稳定问题往往成为控制因素；线性一类稳定系数要求大于4；系杆拱随跨度的增加横向稳定问题较突出；横撑布置对结构稳定性影响比较大。

工况①：结构自重+全跨满布汽车+全跨满布人群下，为面外失稳，稳定安全系数8.5。工况②：结构自重+半跨满布汽车+半跨满布人群下，为面外失稳，稳定安全系数8.96。

6 结语

三肋系杆拱桥边、中拱肋受力差别较大，采用拱肋高度一样，壁厚不同能保持结构美观，中拱肋系杆尺寸和配束大于边拱肋尺寸和配束既满足受力需要并节约材料，在条件受限条件下可以减少桥面宽度，节约造价。拱肋线条优美，可加工性强，施工方便，节约工期，拱桥吊杆上端采用拱顶张拉，下端采用钢锚箱锚固于桥面有利于后期养护和换束需求，设计凸台和锚箱侧门有利于锚箱防护和防水，提高结构使用性能。