钢管砼系杆拱桥上部结构设计

【摘 要】以漳州龙海市南太武滨海新区工业路跨汤溪桥梁为例，简要介绍简支钢管砼系杆拱桥上部结构设计过程，并对结构计算提出建议，供大家参考、指正。

【关键词】钢管混凝土系杆拱桥；计算方法；刚度；空间模型

钢管混凝土是我国近年来桥梁建筑发展的新技术，具有自重轻、强度大、抗变形能力强等优点，较好地解决了修建桥梁所需的用料省、安装质量轻、施工简便、承载能力大等诸多矛盾，是大跨径拱桥的一种比较理想的结构材料。

拱桥是一种极具美学欣赏价值的桥梁形式，在我国有着深厚的文化基础，钢管混凝土结构在拱桥中的应用，使拱桥更加轻巧，表现力也更强，其中下承式拱桥更是在城市桥梁中受到青睐。

简支下承式系杆拱桥是属于拱梁组合体系中的一种，利用桥道系的纵梁作为拉杆，拱与梁在拱脚处刚结，支承于墩台支座之上，一方面使拱梁共同承受荷载，从整体上节约材料，另一方面对墩台与基础的要求降低，从外部受力上类似于简支梁。在城市桥梁建设中，该体系拱桥经常因其受力明确，外观简洁又不失美观的特点。

一、工程概况

漳州龙海市南太武滨海新区工业路在道路桩号k1+155处需新建桥梁跨越汤溪，桥址处汤溪宽约80m，两岸有较宽阔的河滩。应汤溪及滨海新区总体景观设计提高的要求，该桥梁主桥方案选择上力求造型美观，又不失简洁及经济性。经前期方案比选，最终以简支下承式系杆拱桥做为主桥设计方案。

二、主要技术标准

1、荷载标准：汽车公路i级，人群3.5kn/m2。

2、计算行车速度：50km/h。

3、桥面宽度：桥面总宽51.6m，布置为6.0m人行道+14.5m车行道+3.3m检修道+4m中分带+3.3m检修道+14.5m车行道+6.0m人行道。

三、总体设计

工业路跨汤溪桥梁主跨为60m钢管混凝土下承式简支系杆拱，拱轴线为2次方抛物线，主拱圈计算跨径l=57.8m，计算矢高f=13.6m，计算矢跨比f/l=1/4.25。拱肋截面采用两半圆插入矩形的组合断面，每幅桥共2片拱肋，两拱肋之间设三道φ1000×12mm一字横撑。每肢拱肋上设置10排吊杆，吊杆间距4.5m。单幅桥设置2道系杆，12道中横梁及2道端横梁。系杆为箱型截面，中横梁为t型断面，端横梁为矩形断面，均为预应力混凝土a类构件。桥面板由横梁顶板连接而成，桥面板、系杆、中横梁、端横梁均采用固结。桥梁总体布置图详见图1、2。

四、结构设计

（一）主拱圈及横撑

主拱圈拱肋为圆端形钢管混凝土，钢管采用q345c钢材，内灌c40微膨胀砼，钢管砼断面全高1500mm，宽1200mm，壁厚14mm。含钢率ρ=0.047（按jcj 01-89规程计算，满足要求，能充分发挥钢管混凝土的受力特性和保证钢管管壁的稳定性），每幅桥设两拱肋，拱肋轴线横向间距18.6m，为保证两主拱圈的横向稳定，两拱肋间共设3道一字式钢管横撑，每一横撑由φ1000×12mm空钢管构成。

（二）吊杆

吊杆采用pes(fd)7-85低应力防腐索，吊杆采用单端张拉，吊杆固定端设在系杆的底面，张拉端设在拱肋上钢管的顶部，吊杆布置在中横梁的轴线位置，其纵向间距4.5m，在人行道板顶面布置减震器及防水罩，在拱肋下缘布置减震器，拱肋底至人行道顶面之间吊杆的外露部分设置φ85×1.5mm不锈钢防护管。吊杆安全系数不小于3.5。

(三)系杆

系杆为箱型截面，截面高度1.6m，宽度3.0m，顶板厚度0.25m，底板及腹板厚度0.30m。箱内设横隔板，共10道，厚度0.70m。系杆两端与端横梁及拱肋交汇处（即拱脚节点）为实体。吊杆穿过系杆横隔板，锚固于横隔板下缘，系杆与端横梁、中横梁、车道板形成固结连接。每幅桥系杆根据桥面布置情况，内、外侧系梁结构尺寸不一，外侧系梁悬臂1.7m，作为人行道板。内侧系梁小悬臂0.50m，仅作检修通道。系杆两端为拱肋的拱座，拱肋钢构件埋入拱座的现浇段混凝土中。系杆上缘设置6束12φs15.2钢绞线，下缘设置8束12φs15.2钢绞线。

（四）端、中横梁

在两系杆之间布置中横梁，共10道。中横梁均为预制，在现场进行与系杆间湿接缝施工。中横梁为t型断面，高度1.6m，腹板厚0.60m，两侧悬臂板各0.75m。中横梁结构轴线与系杆横隔板、吊杆轴线处于同一平面内。根据施工流程，中横梁内钢束分两批张拉，在预制、养护阶段，张拉第一批钢束，至现场与系杆湿接缝处现浇砼，并养护达到设计强度后，张拉第二批钢束。

在系杆与拱肋交汇处布置端横梁，其两端与系杆固结。端横梁为矩形截面，高度2.0m，宽度2.2m。端横梁与系杆同时浇筑，形成整体，不设施工缝。端横梁上配置8束9φs15.2钢绞线，两端张拉。

（五）行车道

行车道由中横梁、端横梁及各横梁间后浇段组成。横梁间后浇段板厚0.25m，采用钢筋砼结构。预制中横梁及现浇端横梁时，预留钢筋，待系杆、横梁预应力及吊杆索力调整完毕后，进行行车道板浇筑。

五、计算过程

（一）、结构刚度计算

简支系杆拱桥为无铰拱，截面刚度的计算影响着结构变形、荷载横向分布计算及超静定结构的内力。因此，较准确、偏安全的计算钢管砼拱肋截面刚度，既能保证结构有足够的安全储备，也能保证结构造价的经济性。

目前关于钢管砼拱肋截面刚度的计算主要有以下规程：①cecs 28:90、②jcj 01-89、③dl/t 5085-1999、④cecs 104:99、⑤dbj 13-51-2003。各规程对钢管砼构件的截面刚度计算提出不同的公式，或简或繁。

对于无铰拱面内强度验算时，拱肋的抗压刚度与抗弯刚度的增大均引起超静定拱的内力增加，采用较大的刚度值更偏于安全。因此进行内力计算时，拱肋截面的刚度采用钢管与混凝土刚度的直接叠加，即（cecs28:90）推荐的钢管与核心混凝土刚度直接叠加的公式。

在进行结构变形计算时，结构截面刚度越大，变形值越小。在进行弹性一类稳定计算时，结构截面刚度越大，临界荷载值也越大。同时，我们知道截面的抗压刚度对结构挠度与弹性一类稳定计算影响小，而抗弯刚度对此影响大。因此，从结构安全角度出发，在进行结构的变形计算和弹性一类稳定计算时，钢管混凝土拱肋截面的抗压刚度仍采用（cecs28:90）推荐的公式，而抗弯刚度的计算则采用dbj 13-51-2003推荐的公式，考虑混凝土开裂对截面刚度消弱的影响。

（二）、施工流程简介

1、场地平整，夯实及支架预压。架设满堂支架，现浇系杆中间段。

2、同时现浇系杆两侧梁段及拱脚钢管拱肋，砼达到一定强度后，张拉端横梁及系杆部分钢束。

3、预制中横梁，施工中横梁湿接缝，张拉中横梁剩余钢束。

4、搭设拱肋支架，安装、焊接拱肋及横撑。

5、安装吊杆，施加一定的力，由四拱脚同时向拱顶压注拱肋混凝土。

6、待拱肋砼强度达到要求后，拆除拱肋支架，对称张拉吊杆，吊杆张拉完毕后，拆除下承式结构的支架，使系杆均匀下落，张拉系杆第二批钢束，调整吊杆力。

7、桥面板施工。

8、桥面系施工。

（三）、结构模型建立

采用midas civil 2006软件对全桥离散成一空间杆系结构。全桥模型共455个节点、566个单元。拱肋、系梁、横梁及桥面板由梁单元模拟，吊杆由桁架单元模拟，模型共546个梁单元，20个桁架单元。模拟施工流程，分14个施工阶段。空间模型如图3：

（四）、主要计算结果

本文仅对主要受力构件的部分计算结构进行罗列，说明部分问题。

1、拱肋压弯验算

拱肋采用等截面，拱脚处受力最大，在各荷载工况作用下，拱受力呈现面内、外双向偏心受压。

拱脚处不利荷载工况，内力值如下表1（单位：kn；kn*m）：

表1 基本组合 拱脚处内力

轴向 剪力-y 剪力-z 扭矩 弯矩-y 弯矩-z

-14635.13 -1183.15 39.42 -89.77 -500.65 4436.14

由内力根据dbj 13-51-2003技术规程，验算拱肋抗弯强度及面内、外受压稳定均满足要求。

2、空间第一类弹性稳定分析

由于下承式系杆拱拱肋的竖向刚度比横向刚度大，因此空间稳定问题，主要是考虑拱肋的面外稳定问题。本桥拱肋施工采用支架搭设平台，施工期间拱肋横向稳定无需验算。拱肋间设3道一字横撑，增强拱肋面外稳定。经计算，结构基频为1.38hz，振型呈拱肋面外半波。结构失稳模态为拱肋面外半波正弦，稳定安全系数16.9，满足设计要求，计算结构如图4。

3、系梁应力验算

系梁采用抗扭刚度、抗弯刚度较大的箱型梁，断面内配置12-φs15.2钢绞线，系梁按预应力a类构件计算，短期荷载组合下，截面均处于压应力，应力数值3.9~12.3mpa。

4、横梁内力计算

横梁分中横梁及端横梁，从空间计算分析结果看，横梁与系梁固结处负弯矩由跨中横梁向端横梁逐渐增大，究其原因，强大的端横梁的约束作用，使得系梁的抗扭刚度对横梁的受力有较大的影响，系梁靠近拱座处抗扭刚度增大，则引起横梁负弯矩增大。鉴于此，中横梁钢束设计上也区别对待，接近端横梁的2根中横梁的顶缘钢束较其他跨中钢束来得多。横梁内力图见图5（单位：kn*m）。

六、结论

（一）设计过程中采用midas civil 2006软件对全桥进行空间建模，细化模拟施工流程，使模型边界条件、受力情况与实际工况基本吻合，全桥各受力构件强度、刚度均满足规范要求，桥梁整体结构安全。

（二）钢管混凝土拱肋的刚度模拟对全桥的内力、变形及稳定计算影响较大，关于钢管砼拱肋刚度的计算公式，目前暂无统一公式，各技术规程的公式也略有不同，因此，笔者认为在保证结构有足够的安全度及造价经济性前提下，建议内力计算与变形、稳定计算时采用不同的刚度计算公式，内力计算采用《钢管混凝土结构设计与施工规程（cecs28:90）》推荐公式，而变形、稳定计算采用《福建省工程建设地方标准（dbj 13-51-2003）》推荐公式。

（三）简支下承式系杆拱第一阶失稳模态一般为拱肋面外失稳，当跨径越大时，拱肋侧向稳定问题就越突出。由于平面模型无法进行面外稳定分析，因此需应用空间模型分析拱肋横撑、系梁预应力及桥面板横向刚度对桥梁第一类稳定问题的影响程度。

（四）横梁的计算，目前设计中有存在以下做法：偏保守地取同跨径的简支梁跨中正弯矩作为横梁跨中正弯矩，取同跨径固端梁的负弯矩作为横梁与系梁相接处的负弯矩，其实横梁受力状态介于简支梁与固端梁之间，且其弯矩值受系梁抗扭刚度影响较大，负弯矩分布呈跨中向拱座递增趋势，因此建议横梁布束时应注意其弯矩变化，避免造成浪费或者结构不安全现象。这些问题是必须在空间模型建立的前提下来发现、解决的。