鋼管混凝土拱橋設計研究的論文

摘要：介紹了上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-蘇州河橋（25m+64m+25m）的三跨中承式鋼管混凝土梁-拱組合體系橋的設計特點，施工階段劃分及結構分析過程和施工難點處理措施。

關鍵詞：鋼管混凝土結構;拱橋；設計與施工；徐變控制;

1概述

　　蘇州河橋位于上海城市軌道交通明珠線跨越既有滬杭鐵路蘇州河橋橋位，與蘇州河正交。橋梁需跨越蘇州河及兩岸的萬航渡路和光復西路。河道通航標準為通航水位3.5m，Ⅵ級航道，凈寬20m，凈高>=4.5m；兩岸濱河路規劃全寬20m（機非混行），其中機動車道寬8m；兩側非機動車道寬各3m；人行步道寬各3m；兩岸濱河路機動車道凈高>=4.50m，非機動車道凈高>=3.50m，人行道凈高>=2.5m。橋式采用25+64+25m三跨中承式鋼管混凝土梁-拱組合體系橋，橋梁全長114m，寬12.5m。外部結構體系為連續梁，即拱腳與橋墩處以支座連接，內部為由主縱梁、小縱梁和橫梁及鋼管混凝土拱肋的組合結構體系。

2鋼管混凝土拱橋設計

　　2.1橋型選擇

　　本方案設計的主導思想是在現有橋梁結構的技術水平發展的基礎上有所創新，橋梁造型與周圍環境相協調，橋式方案力求新穎獨特，并充分體現現代化大都市的節奏與氣派。

　　拱橋是一種造型優美的橋型，它的主要特點是能充分發揮材料的受壓性能，而鋼管混凝土的特點是在鋼管內填充混凝土，由于鋼管的套箍作用，使混凝土處于三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。同時鋼管兼有縱向主筋和橫向套箍的作用，同時可作為施工模板，方便混凝土澆筑，施工過程中，鋼管可作為勁性承重骨架，其焊接工作簡單，吊裝重量輕，從而能簡化施工工藝，縮短施工工期。

　　蘇州河橋的橋型方案經過研究分析、結構優化及評估論證，最后采用25+64+25m飛鳥式鋼管拱橋的設計方案。以抗壓能力高的鋼管混凝土作為主拱肋，以抗拉能力強的高強鋼絞線作為系桿，通過邊拱肋的重量，隨著施工加載順序逐號張拉系梁中的預應力筋以平衡主拱所產生的水平推力，最終在拱座基礎中僅有很小的水平推力。拱腳與橋墩的連接由固接改為鉸接，以避免由于軌道交通無縫線路產生的縱向水平力和溫度應力引起拱腳過大的推力而導致拱腳處混凝土開裂，克服了拱橋對基礎的苛刻要求。

　　全橋總布置如圖1：

　　2.2上部結構

　　主橋為中承式拱橋，主拱理論軸線為二次拋物線，矢跨比為1:4，其中橋面以下部分采用C50鋼筋混凝土結構，截面為帶圓角的矩形截面。橋面以上部分采用鋼管混凝土結構，鋼管截面為圓端形，采用A3鋼，鋼管壁厚16mm，外涂桔紅色漆，內填C55微膨脹混凝土。

　　邊拱矢跨比為1:7.4，理論軸線為二次拋物線，截面采用鋼筋混凝土矩形截面，按偏心受壓構件設計。拱上立柱采用圓形截面鋼管混凝土立柱，下端與邊拱肋固結，上端設聚四氟乙烯球冠形鉸支座，與邊縱梁鉸接。

　　主拱每側設7根吊桿，間距約6.4m，吊桿采用擠包雙護層大節距扭鉸型拉索，吊桿鋼索雙護層均為高密度聚乙烯護層（PE+PE桔紅色），錨具為冷鑄墩頭錨。吊桿上端錨固在鋼管混凝土拱肋內，下端錨固在橫梁底部。

　　主拱橋面以上部分共設三道一字型風撐，每側邊拱設三道橫撐，主拱設一道橫撐，以增加全橋的穩定性。拱座采用鋼筋混凝土結構，每墩設兩個拱座。通過橫撐相連。拱座施工時應預先埋好立柱鋼管、主拱及邊拱伸入拱座內的鋼筋，準確對位。

　　橋面系為由邊縱梁、橫梁、小縱梁及現澆橋面板組成。邊縱梁為箱形斷面，邊孔與邊拱肋相接部分及中拱與邊縱梁連接部分為矩形斷面，采用C50級部分預應力混凝土結構，在恒載及自重作用下為全截面受壓構件。橫梁采用C50級預應力混凝土結構，全橋共設小橫梁15片，端橫梁2片，中橫梁與邊縱梁接合處2片。全橋共設四片小縱梁（全橋通長）與橫梁固結在一起形成格構體系。橋面板采用C40級鋼筋混凝土板，橋面板采用在格構系上現澆的方法處理。橋面板的鋼筋布置應采取防迷流措施。

　　橋面排水原則上采用“上水下排”，即橫坡加導水槽方式，在橋梁橫斷面內設0.5%的橫坡。承軌臺每隔一定的距離斷開，向兩側排水。

　　橋面上部建筑設施包括混凝土道床及軌道、通信信號電纜支架、隔音屏、防噪柱及接觸網腕臂柱。橋面布置有：聚氨脂防水層、0.5%雙向排水坡、落水管、承軌臺及鋼軌、I字形鋼筋混凝土柱、防噪屏及電纜支架等。每隔30~50m設接觸網立柱一對，每隔1000m左右布置一組接觸網錨固立柱。橋上不設人行道及照明。

　　支座采用QGPZ盆式橡膠支座和QGBZ板式橡膠支座。

　　2.3下部結構

　　拱橋主墩基礎采用樁基礎，將⑨層粉細砂層作為樁基持力層，為滿足橋梁上部鋼軌對基礎沉降的要求，經分析計算比較，采用樁徑為D=0.8m的鉆孔灌注樁，樁長67m，每個主墩12根樁，承臺4.8×17.0×2.0m，邊墩基礎采用8根樁徑D=0.8m鉆孔灌注樁，樁長67m,承臺4.35×16×2.0m，邊墩及蓋梁為雙柱式鋼筋混凝土結構。

3結構分析

　　結構分析采用有限元程序SAP91進行三維空間計算，包括整體分析、穩定分析等，用橋梁專用平面分析程序PRPB和BSACS分別進行了驗算。在計算時橋面以上主拱拱肋除按鋼管混凝土設計外，還用類似于鋼筋混凝土構件的方法進行施工計算，在截面形成階段采用應力疊加法設計。鋼管的套箍系數取0.8。

　　3.1施工階段計算

　　本橋施工體系轉換分五個階段進行，施工中中孔利用既有鐵路鋼橋作支架，待新橋建成后拆除既有橋。

　　第一階段：在支架上現澆兩邊段（立柱、拱、橫梁）及全橋邊縱梁，待混凝土達到強度后每片邊縱梁內張拉兩根預應力束。

　　第二階段：將工廠內制造的主拱肋鋼管，每側7段，運到工地，在邊縱梁上搭設支架拼裝就位。空鋼管拱肋合攏后即封住主拱、縱梁結合處，再形成鋼管混凝土截面。待主拱內混凝土達到設計強度后即開始張拉吊桿，給吊桿以初始張拉力，后錨固于主拱肋內。現澆中段橫梁，待混凝土達到設計強度的90%后，張拉橫梁預應力筋，澆全橋小縱梁，待混凝土達到設計強度后，張拉小縱梁內的預應力束。在每片邊縱梁兩端施加預應力，張拉兩根預應力束。

　　第三階段：張拉邊縱梁內T2及B2各一束，鋪裝中孔橋面板后，拆除中拱支架。

　　第四階段：拆除邊拱支架，澆注全橋橋面板，張拉邊縱梁內三根預應力束。

　　3.2成橋階段計算

　　進行以下幾方面的計算:

　　1.二期恒載按換算均布荷載分擔到橫梁和縱梁上；

　　2.支座沉降計算；

　　3.溫度變化計算；

　　4.活載為輕軌列車荷載，每列最多八節，每節8軸，重車軸重170kN，輕車軸重80kN，雙線荷載；

　　5.計算承軌臺在成橋后三個月、六個月、一年、三年的徐變變形量。

　　3.3穩定性分析

　　在本橋的穩定性方面，設計時考慮兩片主拱之間加設三道一字型風撐，拱肋基礎連成整體。全橋整體穩定分析采用SAP93曲屈穩定分析程序進行計算，彈性穩定系數10-12。

　　3.4樁基計算

　　樁基設計從三方面控制：

　　1.地基承載力控制：Nd=(up?fili+fipAp)/K;

　　2.樁身強度控制：s?0.2R；

　　3.沉降控制：滿足軌道變形的要求，控制在2cm。

　　最終沉降量采用分層總和法計算，將樁基承臺樁群與樁之間土作為實體深基礎，且不考慮沿樁身的壓力擴散角，壓縮層厚度自樁端全斷面算起，至附加壓力等于土的自重壓力的20%處。

　　沉降計算結果