飞燕式异型钢管混凝土拱桥设计与施工关键问题

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摘要: 钢管混凝土拱桥因其自重轻、强度高、节省材料、施工方便、造价低及外形美观而成为大跨度桥梁的一种主要形式。长春市伊通河大桥是一座在建的三跨飞燕式异型拱桥，总跨度260m，其中主跨为158m的异型钢管混凝土拱桥。本文介绍了伊通河大桥的结构特点、设计及施工关键问题；利用考虑应力累积的方法计算了主拱肋的预拱度，为施工监测提供了依据；制定了该桥V构箱梁施工的支撑布置方案，并利用有限元数值程序MIDAS对该方案进行了优化。

关键词：钢管混凝土拱桥；施工；支架；水化热；预拱度

伊通河大桥工程概况

102国道跨伊通河桥梁工程是长春市四环路排水桥梁互通工程的一个重要组成部分，桥梁总长740m，包括跨伊通河主桥和两岸引桥。主桥为三跨飞燕式异型拱桥，跨度组合为51+158+51m，两岸引桥长度均为240m。该项目道路等级为城市Ⅰ级主干道，设计车速60km/h。桥宽40m，按双向八车道设计，两侧设人行道（见图1）。

主跨拱肋按构造和使用功能分为主拱肋和稳定拱肋，二者通过斜撑和横撑形成空间结构体系（见图1），增强了飞燕式异型拱桥的艺术表现力。主拱肋拱轴线是位于竖直平面上的二次抛物线，计算跨径158m，矢跨比为1/4.23，拱肋截面采用三根圆钢管形成的组合截面，内灌C50混凝土 [1]；两侧稳定拱肋拱轴线均为二次抛物线，计算跨径120.5m，拱肋平面内的矢高为29.9773m，稳定拱平面与竖直平面夹角为21.80。系杆布置在中央分隔带区域桥面上，两端锚固于边跨混凝土箱梁梁端横梁处梁顶锚体之上，锚体为钢筋混凝土结构，采用C50混凝土，锚体及拱座处埋设系杆预埋钢管。

伊通河大桥主桥主跨与两边跨形成了三部分的受力主体。在整个受力体系中，V构前腿作为钢管混凝土拱肋的延伸，承担了较大的轴力与弯矩作用；V构后腿作为边跨钢筋混凝土箱梁的支撑，在与箱梁的交点处承受竖向力的作用。为了平衡拱肋产生的水平推力，伊通河大桥主桥在边跨混凝土箱梁梁端设置了6根水平系杆，系杆与主跨、边跨及主拱墩构成拱桥的四个基本组成部分，在受力过程中相互影响、相互依存。

由此可见，伊通河大桥主桥设计采用三跨飞燕式异型拱桥的结构形式，在美观新颖的同时也带来结构的特殊性与复杂性。尤其在拱桥施工过程中，结构体系随着施工方法与施工步骤的变化亦有较大改变，必须对所选施工方案进行深入细致地分析才能保证整个施工过程安全顺利地完成。

伊通河大桥有限元模型

本文采用大型通用软件MIDAS/CIVIL2006建立了伊通河大桥主桥的有限元模型。模型中拱肋、V构、承台以及桩体均采用梁单元建模，系杆和吊杆采用只受拉桁架杆单元模拟，桩同作用则采用弹簧单元考虑。

V构建模考虑了混凝土箱梁截面渐变的特殊形状（见图2），箱梁内部按设计要求配置预应力钢绞线。钢管混凝土拱肋截面则利用共用节点的方法模拟（见图3），该方法既能保证钢管和混凝土按相应材料本构模型输入，又能确保钢管混凝土截面可以协同工作。

主拱肋预拱度设置

拱肋是拱桥的核心受力构件，拱肋线型是影响拱肋受力性能的重要因素[2]。预拱度是拱轴线计算的重要依据，是拱肋钢管在工厂预制加工的前提条件。只有准确计算拱肋的预拱度，才能保证拱肋在运营阶段处于合理拱轴线。为了精确地得到拱肋的预拱度，必须根据施工过程，考虑应力累计逐步计算得到拱肋在完成施工后的最终变形，并反推相应的预拱度。

本文针对伊通河桥拱肋实际施工方案计算了拱肋的变形如表1。由表1可见，拱肋在浇注混凝土时变形最大，为62.3mm；其次是拆除箱梁支架工况，变形为46.2mm。拱顶在施工完成后累积变形（预拱度）为136.2mm。

表1各施工工况下主拱肋拱顶变形

伊通河大桥V构施工支架受力分析

4.1支架计算模型介绍

伊通河大桥V构采用支架法施工，支架采用Φ299×8的钢管作为立柱，I45a工字钢作为纵向传力梁，立柱与传力梁焊接形成空间受力体系。纵、横向采用槽钢连接保证结构稳定性。

根据实际施工方案可知，混凝土浇注过程中，混凝土湿重将通过型钢支架体系传递至基础与拱座。由于V构混凝土体积庞大，混凝土自重荷载作用十分显著，因此支架体系的受力任务较为艰巨；此外，由于V构的造型特殊，混凝土自重荷载将对支架产生较大的水平推力，使型钢支架体系受力更为复杂，必须充分作好防护措施，以保证施工安全顺利地进行。

为提高型钢支架体系的水平刚度，一方面将工字钢梁与拱座预埋钢板焊接以抵抗混凝土浇注时对支架体系的水平推力，另一方面在传力梁下部设置预应力拉索以减轻预埋钢板处的拉力。本文利用MIDAS软件对支架体系进行了数值仿真模拟，分析了无预应力拉索和施加预应力拉索时支架体系的受力性能，并根据计算结果给出了预应力的张拉方案。

4.2 支架计算结果分析

有无预应力拉索情况下支架受力情况如表2所示。由表2可见，无预应力拉索时传力梁端部节点最大拉力达到51tonf，较大的拉力易造成该节点首先破坏，进而导致支架体系纵向倾覆。采用预应力拉索后，支架体系的整体受力性能得到明显改善，传力梁端部节点拉力大大降低，且形成了体系承担水平荷载的第二道防线，因此该措施效果显著。为了保证施加预应力时结构具有良好的稳定性，建议分级张拉预应力共60tonf，每次张拉10~20tonf，且在张拉过程中不断监控锚固点变形及传力梁端部节点最大拉力。

表2 有无预应力拉索情况下支架受力情况列表

结论

本文介绍了飞燕式钢管混凝土拱桥设计和施工的关键问题，并结合伊通河大桥分析了V构支架受力性能，得到结论如下：

1. 钢管混凝土拱肋的最终变形是拱肋在不同施工阶段下变形结果的累积，因此计算时需要考虑施工过程中结构刚度不断调整对拱肋变形的影响；

2. V构形状的特殊性决定了其施工的复杂程度，尤其是混凝土湿重引起的水平推力更成为了支架设计的控制因素；采用预应力拉索改善支架体系的受力性能不但显著降低了传力梁端节点的拉力和支架整体变形，且预应力拉索可以作为体系第二道防线以抵抗水平荷载，提高结构的可靠度；

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。