跨引江河橋系桿拱設(shè)計

姚建鋒 于曉磊

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

1 項目概況

1.1 工程背景

泰州引江河位于江蘇省泰州市與揚州市交界處，南起長江，北與新通揚運河相連，全長24km，河底寬80m，河底高程-3m～-3.5m，是一條集引水、排澇、航運等多目標(biāo)、多功能的綜合利用河道。引江河大橋位于泰州市高港區(qū)，跨越引江河，河口較寬，約170m，河道順直規(guī)整，船只較多，現(xiàn)狀為Ⅲ級航道，凈空60×7m，通航水位2.819m。

本橋在江廣高速公路兩側(cè)采用分離式路基進(jìn)行擴建，新橋平行于老橋與老橋凈距3.5m，擬建左右幅擴寬橋與航道夾角79°。 擴寬左右幅橋平面均位于直線上，單幅橋全寬13.25m。 擴寬橋梁和原橋采用相同的結(jié)構(gòu)形式，上部結(jié)構(gòu)主橋采用系桿拱橋，引橋采用預(yù)應(yīng)力砼簡支T 梁，為加大終點側(cè)燃?xì)夤艿赖氖┕ぐ踩嚯x，適當(dāng)加大終點側(cè)引橋跨徑，跨徑組合為：(30+30+30+40)m+72.6 m +(40.08+31+31+31)m，全橋三聯(lián)，橋梁全長342.96m。橋墩為圓柱墩，工字型承臺，橋臺為樁柱式臺，樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 主橋橋型立面示意見下圖1。

圖1 橋型立面圖

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)汽車荷載等級：新建橋涵采用公路-Ⅰ級。

(2)單幅橋面凈寬：凈-12.25m，單幅橋梁全寬13.25m(分離式路基)。

(3)設(shè)計洪水頻率：大橋1/100。

(4)地震動峰值加速度：地震峰值加速度為0.10g，對應(yīng)于基本地震烈度7 度區(qū)，橋梁抗震設(shè)防措施按8 度。

(5)坐標(biāo)系：1954 年北京坐標(biāo)系。

(6)高程系：1985 國家高程基準(zhǔn)。

(7)環(huán)境類別：Ⅰ類。

2 結(jié)構(gòu)選擇

2.1 上部結(jié)構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)全長為72.6m 下承式鋼管混凝土系桿拱。本橋拱軸線采用二次拋物線，拱軸線方程為：y=4fx(Lx)/ L2 ，其中：矢跨比f/L=1/5，計算跨徑L=70m，矢高f=14m。 主跨拱肋間距為14.65m，采用1.7m 高啞鈴型鋼管砼截面，鋼管外徑700mm， 壁厚14mm，鋼管及綴板內(nèi)填充C40 微膨脹砼。 拱肋橫向設(shè)置一字型風(fēng)撐3 道，K 撐2道，風(fēng)撐采用鋼管φ450mm，壁厚10mm，斷面形式均為啞鈴型雙圓鋼管斷面。

系桿采用預(yù)應(yīng)力砼箱形斷面， 跨中高度為1.8m，寬1.4m， 頂板、 底板和腹板厚均為0.30m， 支點高度為2.95m，寬1.55m 的矩形斷面。 中橫梁采用C50 預(yù)應(yīng)力混凝土，間距4.8m，預(yù)制吊裝，與系桿采用現(xiàn)澆濕接頭相連，其高度變化范圍為115～141.5cm，肋寬0.7m，全橋共設(shè)13道。 行車道板為25cm 厚預(yù)制板，頂面澆筑10cm 整體化鋼筋砼面層。端橫梁為預(yù)應(yīng)力砼箱形梁，其高度變化范圍為125～151.5cm，寬2.65m，與拱腳一起現(xiàn)澆施工，全橋共設(shè)兩道。 單副橋設(shè)置26 根吊桿， 其采用PESFD7-55 索體，外套管采用φ23.5cm 鋼管，壁厚1cm。 引橋T 梁根據(jù)新部頒通用圖修改，30m、31mT 梁梁高采用2m，40mT 梁梁高采用2.5m。 下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，起終點橋臺采用樁柱式臺， 臺后采用輕質(zhì)泡沫土填筑。 本橋為少支架施工，在系桿內(nèi)設(shè)置勁性骨架進(jìn)行施工。

2.2 主橋下部結(jié)構(gòu)

主橋下部采用柱式墩， 蓋梁寬4.0m， 下接兩根φ2.3m 圓柱墩，墩柱橫橋向間距9.75m，承臺高2.5m。 單個承臺下采用雙排共4 根φ1.5m 鉆孔灌注樁。

根據(jù) 《江蘇省江都至廣陵高速公路泰州引江河大橋擴建工程防洪評價報告》，主橋承臺埋于河床下，并對橋位上下游50m 范圍內(nèi)河底岸坡進(jìn)行防護(hù)。

2.3 附屬結(jié)構(gòu)

(1)護(hù)欄

橋梁外側(cè)采用SS 級鋼筋混凝土墻式護(hù)欄。

(2)伸縮裝置

采用D80 、D160 型鋼組合伸縮縫。

(3)橋面排水

在護(hù)欄內(nèi)側(cè)設(shè)置直排式泄水孔； 全橋采用集中收集的方式，引排至路基的排水溝中。

(4)支座

主橋采用JQZ(Ⅱ)球形鋼支座，引橋T 梁采用GYZ和GJZ 板式橡膠支座。

(5)橋頭搭板

橋頭搭板長8m，搭板橫向根據(jù)行車道分塊。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算軟件

主橋上部結(jié)構(gòu)采用主要采用midas 進(jìn)行計算分析，上部結(jié)構(gòu)劃分為454 個單元，根據(jù)施工程序分為18 個施工階段。

3.2 計算參數(shù)選取

(1)結(jié)構(gòu)安全等級：一級。

(2)混凝土材料。

C50 混凝土，設(shè)計強度fcd=22.4MPa，ftd=1.83MPa；混凝土容重γ=26kN/m3；彈性模量Ec=3.45×104MPa。

C40 混凝土，設(shè)計強度fcd=18.4MPa，ftd=1.65MPa；混凝土容重γ=26kN/m3；彈性模量Ec=3.25×104MPa。

(3)預(yù)應(yīng)力鋼束采用φS15.2 規(guī)格，面積Ay=139mm2，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1860MPa， 設(shè)計強度fpd=1260MPa，彈性模量Ey=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力系桿采用σcon=1339.2MPa，橫梁采用σcon=1395MPa，松弛率2.5%，金屬波紋管孔道摩擦系數(shù)μ=0.25， 管道偏差影響系數(shù)k=0.0015，一端錨具變形及回縮值均為6mm。

(4)二期恒載：橋面板、橋面鋪裝及防撞護(hù)欄按實際重量作用在橫梁上。

(5)活載：公路-Ⅰ級，汽車荷載按兩車道計算。

(6)混凝土收縮、徐變：本驗算考慮3650 天的混凝土收縮徐變，相對濕度為0.75。

(7)溫度作用：系統(tǒng)溫度按整體升溫25℃，整體降溫-25℃；非線性溫度取值：升溫梯度T1=5℃、T2=0℃；降溫梯度T1=-5℃、T2=0℃。

3.3 施工步驟

(1)完成下構(gòu)施工。在岸上拼裝拱肋鋼管、橫向風(fēng)撐及系桿勁性骨架，焊接成整體，安裝吊桿外套鋼管，整體吊裝運至橋位處。

(2)安裝主墩支座，將拱肋及勁性骨架吊裝就位，臨時固定于支座上。

(3)安裝端橫梁及拱腳處鋼筋、模板，現(xiàn)澆拱腳及端橫梁砼。 待端橫梁混凝土達(dá)到設(shè)計強度后第一次張拉端橫梁預(yù)應(yīng)力。

(4)填充拱肋下鋼管混凝土，養(yǎng)護(hù)待其強度達(dá)到設(shè)計強度后， 第一次張拉系桿預(yù)應(yīng)力。 填充拱肋上鋼管混凝土，養(yǎng)護(hù)待其強度達(dá)到設(shè)計強度后，第二次張拉系桿預(yù)應(yīng)力。 填充拱肋綴板混凝土并養(yǎng)護(hù)。

(5)在勁性骨架上安裝系桿模板，綁扎鋼筋，澆筑系桿混凝土。 待混凝土達(dá)到設(shè)計強度后第三次張拉系桿預(yù)應(yīng)力束，拆除系桿模板。 第一次張拉吊桿。 第一次張拉吊桿 張拉 次序 為：4 號、5 號、3 號、6 號、2 號、7 號、1號。 安裝已完成第一次預(yù)應(yīng)力張拉的預(yù)制中橫梁，澆注橫梁濕接頭， 待其達(dá)到設(shè)計強度的90%后第二次張拉中橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束。第四次張拉系桿預(yù)應(yīng)力。安裝行車道板， 行車道板濕接頭混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的90%以后第二次張拉端橫梁預(yù)應(yīng)力及第三次張拉中橫梁預(yù)應(yīng)力。

(6)現(xiàn)澆橋面整體化10cm 混凝土。 第二次張拉吊桿預(yù)應(yīng)力，順序同第5 步。安裝護(hù)欄，鋪裝橋面瀝青砼，安裝其他附屬結(jié)構(gòu)。

3.4 計算結(jié)果分析

建立的空間模型如圖2 所示。

圖2 空間模型

系桿上、下緣應(yīng)力圖見圖3、圖4。

計算結(jié)果：正應(yīng)力上緣最小1.03MPa 大于0，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計。

計算結(jié)果：正應(yīng)力下緣最小1.1 MPa 大于0，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計。

強度圖如圖5 所示。

從以上結(jié)果看，強度和應(yīng)力均滿足受力要求。

吊索拉力圖如圖6 所示。

計算結(jié)果：根據(jù)靜力計算結(jié)果，吊桿內(nèi)最大拉力為984.4kN，安全系數(shù)＝3535/984.4＝3.6＞3，滿足規(guī)范要求。

圖3 系桿上緣應(yīng)力圖

圖4 系桿下緣應(yīng)力圖

圖5 強度圖

圖6 吊索拉力圖

圖7 整體吊裝圖

4 成橋穩(wěn)定性分析

成橋穩(wěn)定分析考慮結(jié)構(gòu)自重、 二期恒載、 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、吊桿力、汽車荷載等。

失穩(wěn)模態(tài)1：

一階模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為4.8，如圖8 所示。

失穩(wěn)模態(tài)2：

二階模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為7.9，如圖9 所示。

失穩(wěn)模態(tài)3：

三階模態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為10.9，如圖10 所示。

圖8 一階模態(tài)

圖9 二階模態(tài)

圖10 三階模態(tài)

從以上結(jié)果看，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)本橋為拼寬橋，受道路縱斷面、地形、河道通航等影響，對橋梁結(jié)構(gòu)形式和施工條件提出了很大的要求，通過方案比選，結(jié)構(gòu)采用下承式鋼管混凝土系桿拱，同時與老橋結(jié)構(gòu)相互匹配。

(2)通過對施工過程中的各種工況進(jìn)行模擬，勁性骨架強度、砼應(yīng)力及強度、吊索拉力均能滿足規(guī)范要求。

(3)本橋施工減少了像以往工程項目水中設(shè)置橋墩的施工方案，減少了對橋下通航的影響，為以后類似工程提供良好的借鑒作用。