合江长江三桥：500米级钢管混凝土拱桥建造创新技术

2.3.2.1　计算概述

1）材料

合江长江三桥钢管混凝土构件钢管、桥面格子梁采用Q345钢材，主拱及边拱管内混凝土采用C70自密实混凝土；吊杆采用φ15.2 mm 环氧喷涂钢绞线挤压成型为吊杆索体，钢绞线极限抗拉强度为1 960 MPa；系杆采用φ15.2 mm环氧喷涂钢绞线成品索体，极限抗拉强度为1 960 MPa。

按照规范规定，主拱采用统一理论对钢管混凝土材料进行模拟，相关参数见表2-14。

表2-14　钢管混凝土参数（统一理论）

2）结构

合江长江三桥为跨径组合（80.5＋507＋80.5）m 的中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨为中承式钢管混凝土主拱，边跨为钢管混凝土劲性骨架外包混凝土拱桥；主孔跨径507 m，净矢跨比1／4，拱轴系数为1.5。主拱、边拱、桥面梁、吊杆等结构参数如下：

（1）主拱。采用φ1 300×22（26、30、32）mm、内灌C70混凝土的钢管混凝土桁式弦管，腹管采用φ660×12钢管，主拱弦管通过横联钢管φ760和竖向两根腹管φ660钢管连接构成；拱顶截面径向高为7.0 m；拱脚截面径向高为14.0 m，肋宽为4.0 m。吊杆和拱上立柱间距为13.0 m，吊杆和立柱处的主拱两支管间设置横隔，加强主拱拱肋的横向联系。主拱标准段的一般构造如图2-43所示。

图2-43　主拱标准节段一般构造

（2）主拱横撑。主拱肋中距为25.3 m，主拱桥面以上主拱的上弦平面设置K形钢管斜撑，在吊杆处的上下弦采用I形钢管竖撑，通过K形钢管斜撑与I形钢管竖撑构成组合式主拱横撑，结构构造如图2-37、图2-38所示；桥面以下的主拱段设置钢管混凝土组合加劲桁式横撑，包括上下弦平面各两个组合K撑；主拱与桥面交叉处设置肋间横梁，支撑桥面梁兼作肋间横撑，如图2-44所示。

图2-44　主拱桥面以下横撑构造示意图

（3）边拱及横撑。边拱采用钢管混凝土劲性骨架箱形拱肋，横撑采用型钢骨架外包钢筋混凝土成为箱形结构，边拱拱肋间各设置一道中横撑和端横撑，边拱交界墩侧的端部设置系杆索的张拉、检修和换索平台。边拱构造示意如图2-45所示。

（4）吊杆。采用φ15.2 mm环氧喷涂钢绞线挤压成型为吊杆索体，两端采用分别锚固在主拱上弦上缘和主横梁的下翼缘，钢绞线极限抗拉强度为1 960 MPa，人行道以上5 m 范围内的吊杆外套哈佛管保护和装饰。

（5）系杆索。采用φ15.2 mm环氧喷涂钢绞线成品索体，极限抗拉强度为1 960 MPa，每个主拱肋采用55φ15.2 mm的索共计12根，全宽桥梁系杆索共计24根。主桥系杆索设置于主拱肋与边拱肋对应位置的桥面纵横格子梁上，在主、次横梁上设置专用系杆索支架支撑系杆索，系杆索的两端采用定型耐久性锚具。系杆索布置如图2-46所示。

（6）桥面梁。桥面梁采用钢格子梁的钢-混凝土组合桥面，桥面钢格子梁由两道主纵梁（吊杆处）、二道次纵梁与吊杆处的主横梁及三道次横梁组成；钢格子梁均采用工字形截面。钢-混凝土组合结构的桥面底面钢板厚8 mm，桥面板标准总厚度（含混凝土板和钢底板）为15 cm，承托处的总厚度为26 cm；桥面铺装为5 cm厚改性沥青混凝土。桥面梁构造示意如图2-47所示。

（7）主墩。符阳路岸主墩采用桩基、承台、桥墩和拱座的重力式构造，承台采用分幅式结构，承台宽11.25 m，长30 m，高4.5 m，采用C30混凝土，承台底面置于卵石层内约2.5 m。上下游承台间设置两道同高度的钢筋混凝土横向连接撑梁，形成框架承台结构体系；每半幅承台下设10根直径250 cm钻孔灌注桩基，承台钢筋混凝土横向连接撑梁下面各设置两根直径250 cm 钻孔灌注桩基，均采用C30水下混凝土。符阳路岸主桥桥墩构造示意如图2-48所示。

图2-45　主桥边拱一般构造

图2-46　系杆索总体布置示意图

开发区岸主墩采用扩大基础、桥墩和拱座的重力式构造。桥墩采用上下游分离式C30钢筋混凝土结构，每个墩宽9.85 m，长25.10 m；桥墩中部靠近承台处设置了泄洪孔，减少阻水面积；除桥墩前缘因地基应力较高，需要设置基础禁边外，桥墩墩身的侧面与后部与桥墩同尺寸，与地基形成锚固结构直接嵌入基岩。桥墩顶部设置两道钢筋混凝土拱形横梁连接，拱形横梁内各设置两束预应力钢束。开发区岸主桥桥墩构造示意如图2-49所示。3）计算基本规定

（1）一般规定。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》要求，该算例进行了钢管混凝土拱桥的强度、刚度、稳定验算和动力性能分析。该桥跨度大于300 m，应计入双重（材料、几何）非线性影响。

采用midas Civil建立三维有限元杆系计算模型对合江长江三桥进行分析，如图2-50所示。在计算模型中，采用梁单元模拟主拱拱肋、边拱拱肋、纵梁结构，桁架单元模拟吊杆和系杆。

（2）计算参数。计算参数依照《公路桥涵设计通用规范》《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定，参数取值见表2-15。

表2-15　计算参数取值

（3）设计荷载及荷载组合。设计荷载包括自重、活载、温度荷载和混凝土收缩徐变。自重为结构自重、二期恒载。其中二期恒载考虑桥面铺装、人行道、防撞栏杆以及桥面其他附属设施。

图2-47　桥面钢格子梁一般构造示意图

图2-48　符阳路岸主桥桥墩构造示意图

图2-49　开发区岸主桥桥墩构造示意图

图2-50　合江长江三桥有限元计算模型

根据《公路桥涵设计通用规范》的规定，针对拱肋主要考虑以下几种荷载组合：

基本组合＝1.2×恒载＋1.4×汽车荷载＋0.6×1.4×［人群荷载＋升（降）温30℃］＋0.6×1.1×风荷载

短期组合＝1.0×恒载＋0.7×汽车荷载＋1.0×人群荷载＋1.0×升（降）温30℃＋0.75×风荷载

长期组合＝1.0×恒载＋0.4×汽车荷载＋0.4×人群荷载＋1.0×升（降）温30℃＋0.75×风荷载

2.3.2.2　成桥平衡状态系杆张拉力的确定

合江长江三桥为跨径组合（80.5＋507＋80.5）m的飞燕式钢管混凝土系杆拱桥，其为外部超静定结构，包括主拱、边拱、系杆、拱座及基础五大部分组成，各部分相互影响，结构设计参数众多、受力复杂，总体设计的关键在于使这五大部分形成有机、受力合理的结构。飞燕式系杆拱桥的系杆充当纽带作用，将主拱、边拱、拱座连接起来，因此系杆的张拉力直接影响成桥平衡状态。合江长江三桥的成桥平衡状态主要考虑因素有主拱和边拱内力、拱座弯矩、拱座基础水平推力、交界墩顶支反力等。

合江长江三桥的恒载在总荷载中占相当大的比重，是系杆张拉设计中需要考虑的主要荷载；其次，活载作用对拱座产生的水平推力也需要纳入系杆张拉设计中进行考虑；同时在系杆张拉设计时，必须考虑主拱、边拱、拱座和基础的截面参数的匹配协调，以使其截面内力合理化。

在成桥状态系杆张拉力的设计中，考虑恒载、活载及系杆力三者共同作用，将拱座基础承担的弯矩值控制在一定的正负区间内。这样的设计思路减小了拱座基础所承受的弯矩，同时考虑了拱座基础受力的合理性及设计的经济性（图2-51）。

图2-51　合江长江三桥成桥平衡状态 系杆张拉力的确定思路

根据有限元软件计算结果，合江长江三桥的恒载和活载对拱座基础产生的水平推力合计为135 800 kN；考虑施工过程影响以及安全系数，成桥平衡状态系杆张拉力设计为165 400 kN。根据成桥平衡状态系杆设计张拉力，在成桥后一次性张拉系杆，得到施工过程中的拱座基础水平推力变化如图2-52所示。

图2-52　成桥一次张拉系杆拱座基础水平推力

由图2-52可见，随着施工过程的进行，拱座基础的水平推力不断增大，呈阶段式增长。第一阶段为主拱及拱内混凝土灌注阶段，拱座基础水平推力增长迅速；第二阶段为桥道梁吊装阶段，拱座基础水平推力逐步缓慢增长；第三阶段为桥面铺装、护栏等附属结构施工阶段，工作基础水平推力少量增长。而在进行一次张拉系杆后，系杆张拉力能够平衡恒载产生的全部推力，而且还具有一定的压应力储备。

2.3.2.3　系杆安装分阶段张拉力的确定

根据合江长江三桥的恒载和活载作用，考虑施工过程影响和安全系数，其成桥平衡状态的系杆张拉力设计为165 400 kN。但对于飞燕式系杆拱桥，其拱座基础的水平推力、拱座基础弯矩是随施工阶段的进行而不断增大的。因此根据施工过程的结构内力变化进行系杆张拉，通过系杆张拉力来调整拱座基础水平推力和拱座基础弯矩，以使得结构截面设计更加经济。

系杆安装分阶段张拉力确定的原则如下：以拱座基础弯矩值作为系杆分阶段张拉设计的控制指标；以拱座基础弯矩值最小且张拉次数最少为张拉目标；并综合考虑主拱和边拱的结构受力。(www.xing528.com)

合江长江三桥的系杆安装分阶段张拉力设计考虑到构造细节、施工便利性和张拉风险等因素，系杆张拉分为三个阶段进行，张拉条件和张拉力见表2-16。

表2-16　合江长江三桥系杆分阶段张拉方案

第一次张拉系杆条件为主拱管内混凝土达到设计强度，该状态为主拱安装完成，将系杆索临时悬挂在拱肋下进行张拉，此次系杆张拉将拱座基础弯矩调整到-743 179 kN·m，减小60.5%；第二次张拉系杆条件为格子梁和系杆架安装完成，系杆索置于系杆架上进行张拉，此次系杆张拉将拱座基础弯矩调整到-389 534 kN·m，减小76.1%；第三次张拉系杆条件为桥面板达到设计强度，此次系杆张拉将拱座基础弯矩调整到681 458 kN·m，消除负弯矩并提供了一定的负弯矩储备。

根据表2-16的合江长江三桥系杆安装分阶段张拉设计，施工过程的拱座基础水平推力如图2-53所示。通过系杆分阶段张拉设计，使得拱座基础的受力得到大幅改善。

合江长江三桥在成桥平衡状态下，主拱轴力全为压力，没有拉力出现；主拱的弯矩较小，且分布合理。

2.3.2.4　计算结论

根据表2-16的合江长江三桥系杆安装分阶段张拉设计，该桥成桥使用阶段的主拱、边拱、拱座基础计算结果如下。

1）主拱截面验算

（1）主拱单肢压弯构件验算。使用阶段主拱圈主要截面单肢内力见表2-17。

使用阶段主拱圈L／4及拱脚截面组合主拱内力见表2-18。

图2-53　分阶段张拉系杆拱座基础水平推力

表2-17　使用阶段主拱圈主要截面单肢内力

表2-18　使用阶段主拱圈L／4及拱脚截面组合主拱内力

使用阶段主拱圈主要截面拱肋单肢承载能力验算见表2-19。

（2）主拱组合压弯构件计算。使用阶段主拱圈主要截面拱肋组合受压构件验算见表2-20。

使用阶段主拱圈拱脚变截面组合受压构件验算见表2-21。

使用阶段主拱圈主要截面拱肋在相应组合下的内力见表2-22。

使用阶段主拱圈主要截面拱肋应力以及强度验算见表2-23。

表2-19　使用阶段主拱圈主要截面单肢承载力验算

表2-20　使用阶段主拱圈L／4组合截面承载力验算

表2-21　使用阶段拱脚变截面组合截面承载力验算

表2-22　使用阶段主拱圈主要截面内力

表2-23　使用阶段主拱圈主要截面应力及强度验算

使用阶段主拱圈拱顶在不同荷载工况下挠度见表2-24。

表2-24　拱顶挠度

2）边拱截面验算

使用阶段边拱外包段承载能力验算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）按钢筋混凝土构件验算。拱圈截面承载力由几部分构成，第一部分是扣除钢管混凝土的钢筋混凝土截面承载力，第二部分是钢管混凝土劲性骨架承载力。考虑到钢管面积有限，所能提供的承载力较小，验算时将该部分作为安全富余不予考虑，仅验算混凝土拱圈承载力，见表2-25。

表2-25　边拱混凝土构件验算

3）符阳岸拱座基础

符阳岸拱座基础承载能力验算，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）进行验算。合江长江三桥符阳岸拱座基础设计为24根群桩基础，设计轴力最大值按62 000 kN计算，中风化砂岩及中风化泥岩单轴抗压强度按地勘报告推荐值26.39 MPa和8.01 MPa考虑，得到符阳岸群桩基础中ZK16～ZK21钻孔位置的桩基承载力见表2-26、表2-27：

表2-26　施工阶段ZK16～ZK21位置桩基承载力

表2-27　使用阶段ZK16～ZK21位置桩基承载力

4）开发区岸拱座基础

开发区岸拱座基础承载能力验算根据《公路桥涵地基与基础设计规范》进行验算。合江长江三桥符阳岸拱座基础设计为扩大基础，基底内力验算分为施工阶段与使用阶段。在施工阶段，最大轴力为N＝-360 504.15 kN，相应最大弯矩为My＝-420 699.13 kN·m，Mz＝-103 720.45 kN·m。在使用阶段，正常使用极限状态的短期效应组合下（可变作用的频遇值系数均取为1.0），轴力最不利时设计值为N＝-388 709.41 kN，My＝-935 620.03 kN·m，Mz＝-729 851.6 kN·m；弯矩最不利时设计值为N＝-366 005.36 kN，M＝-1 532 239.50 kN·m，Mz＝-909 169.63 kN·m（表2-28）。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》，基底应力为，计算得到的基底最大应力及最小应力见表2-29。

表2-28　施工与使用阶段基底内力

表2-29　施工与使用阶段基底应力验算

经过结构验算，合江长江三桥的主拱、边拱、系杆、拱座及基础的强度、刚度、稳定性满足规范要求，且主拱、边拱全为压应力，没有出现拉应力的情况，边拱交界墩支座受压，结构受力均匀合理。