异型钢管砼拱桥设计
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摘要：异型钢管砼拱桥设计方案通过对拱肋轴线的变化，拟合出白鹭翅膀的外形和翩翩起舞的律动，同时也达到结构受力的要求。下承式钢管混凝土拱桥，其通过系杆来平衡拱的水平推力，解决了软土地区拱桥水平推力无法克服的问题，具有建筑高度小，外形秀美，造价合理等优点，是60~300m跨径的优秀、经典桥型，具有其他桥型无法替代的优势。
关键词：异型钢管砼；拱轴线；拱桥；结构设计；桥梁设计
1.工程概况
宁波杭州湾新区兴慈八路跨十塘横江桥梁工程跨越十塘横江，桥梁南起滨海五路，北至十塘大堤，全线长度约340m，规划红线宽度50m。桥梁在十塘横江范围内梁底标高不低于4.06m，局部区段考虑上人汽艇通行，梁底标高不低于4.95m。
大桥进行了异型钢筋砼拱桥和变截面连续梁两个方案的比较，遵照“安全、美观、经济、适用”的基本原则，同时充分考虑建造技术的先进性以及环境保护和可持续发展，经过桥梁、景观等专家认证，并经过规划部门批准本工程桥跨布置为2x20m（简支梁）+2x80m（下承式异形钢管混凝土拱）+2x20m（简支梁），正交布置，主桥标准桥宽44m，引桥标准桥宽50m，桥梁中心桩号K0+198.500，起桥桩号K0+077.580，终桥桩号K0+319.42，桥梁结构总长241.84m。桥型总体布置示意如图1所示。设计荷载为公路－Ⅰ级，人群荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)计算取值为3.5kN/m2。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）,宁波市地震动峰值加速度0.05g，抗震烈度取为地震基本烈度6度。
图1 桥型总体布置图
2.主桥结构设计
2.1主桥上部结构
主桥上部结构为2x80m下承式异型钢管混凝土拱，两跨简支，单跨计算计算跨径76.5m，主桥结构主要由拱肋、吊杆、系梁（主梁）、端横梁、中横梁、桥面板组成。
由理论力学可知，受沿索长均匀布置的分布荷载的悬索挠曲后的形状为悬链线。而集中索力又引起拱内压力线的突变，因此，精确的说，异型拱的合理拱轴线是多段在节点相接的倒悬链线。假定荷载沿拱均匀布置，不考虑拱圈自重沿桥跨不同的影响，推导得到合理的拱轴线理论方程为：
L为桥梁跨径，f为桥梁矢高，α为吊杆与水平线夹角。当x=(Ltgα/2f-1)× f/tgα，y=f。
L＝76.5m，f＝20m，α=70°（坐标原点位于单片拱轴线与系梁交点，模型计算时要考虑桥面竖曲线影响）。
将L、f、α值代入拱轴线方程得到：
⑴拱肋设计
拱肋采用钢管混凝土拱，拱肋截面为四管箱形截面，拱肋宽3.0m，1#拱脚处拱肋高2.8m，2#拱脚处拱肋高3.2m，拱顶处拱肋高1.8m，拱肋高分别从拱顶向两拱脚按与水平方向距离（非拱轴线方向）成1.5次抛物线过渡。拱肋截面中四根钢管外径700mm，壁厚16mm，内充C50微膨胀混凝土，箱室中顶底板厚16mm，腹板厚22mm，箱室中设纵横向加劲肋。单跨拱桥横向设2片拱肋，中心间距29.5m，不设风撑。拱脚装饰段采用Q235B钢结构，与拱肋焊接。
图2 拱肋截面示意图
⑵吊杆设计
吊杆由∅7mm的高强度、低松弛镀锌钢丝组成，抗拉标准强度1670MPa。锚具采用配套冷铸锚具。吊杆与水平线成70度夹角，拱顶为张拉端，系梁端为锚固端，单片拱肋下设14根吊杆。
⑶主梁设计
系梁采用预应力混凝土结构，梁高2.0~2.4m，底宽2.7~3.7m，箱形结构。
端横梁采用预应力混凝土结构，支座处梁高2.4m，宽3.5m，箱形结构。其中1#端横梁
引桥侧设0.84m宽牛腿，用于支承引桥板梁。2#端横梁中墩侧设0.47m宽挑臂。
中横梁采用预应力钢筋混凝土结构，吊杆处梁高2.0m，T形断面，腹板厚0.3m~0.6m。单跨桥设14道中横梁。
桥面板为预应力板式构件，厚0.25m。
2.2主桥下部结构
主桥桥墩为实体倒喇叭形墩身，承台桩基础，承台厚度为2.0m。采用∅1500mm钻孔灌注桩，以2层粉细砂作为桩基持力层。
2.3主桥桥面系
桥面铺装为80mm厚C40钢筋砼铺装＋2mm聚合物改性沥青桥面防水涂料＋90mm厚沥青砼（上层40mm细粒式沥青混凝土AC-13C（加SBS改性剂）+下层50mm中粒式沥青混凝土AC-20C（加SBS改性剂））。拱肋区铺装为30mm彩色面砖＋60mm砂浆＋2mm聚合物改性沥青桥面防水涂料＋80mm砼。人行道铺装为30mm人行道彩砖＋20mm砂浆＋80mm预制砼板。
主桥拱肋靠机动车道侧设置边防撞栏杆；主桥拱肋靠非机动车道侧设置边人行道栏杆；全桥人行道外侧设置人行道栏杆。防撞栏杆材料采用Q345qC无缝钢管，人行道栏杆材料用Q235b钢。
3.结构分析
3.1结构静力计算分析
⑴计算图示
全桥总体静力分析采用MIDAS-Civil空间分析程序，对各种荷载工况下桥梁的成桥阶段和施工阶段进行受力和位移分析。模型中系梁、端横梁、中横梁按实际截面形式用梁单元模拟，吊杆用桁架单元模拟，模型边界条件根据支座的具置情况（上部结构与一侧桥墩简支连接，另一侧为纵向活动）确定，对两片拱肋下两端支座设置竖向约束，对左端两片拱肋下支座设置顺桥向约束，同时对另一端一片拱肋下支座设置横向约束，有限元模型如图3所示。
图3MIDAS全桥分析模型
⑵计算荷载及荷载组合
①计算荷载
A恒载：
一期恒载：包括系梁、中横梁、端横梁、小纵梁、拱肋、吊杆、桥面板自重，都按实际尺寸计取。
二期恒载：包括桥面铺装、护栏、人行道板、吊杆初始张拉力等
B活载
采用公路－Ⅰ级汽车荷载，其主要技术指标、排列及折减和人群荷载按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2004）执行，横向六车道加两个非机动车道，按8车道折减计算， 考虑偏载系数1.15， 车道横向分布调整系数3.08。
C温度荷载
温度计算按整体升温25℃，整体降温20℃；梯度温度按规范根据铺装层厚度内插：T1=14℃，T2=5.5℃。
D风荷载
按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.7条计算风荷载标准值，设计风速重现期换算系数：
风力：Fwh=k0×k1× k3×Wd×Awh ，横向作用与拱上
k0=1.0，k1=1.3， k3=1.0，k5=1.38
Z=25.5，V10=28.6
Wd=2.1 Awh（Awh――迎风面积）
②荷载组合
A.长期效应
组合1：恒载＋吊杆力＋汽车荷载+人群（对组合值有利时不参与组合，不利时参与组合）
B.短期效应
组合2：恒载＋吊杆力＋汽车荷载＋人群＋整体升温＋风力（其中汽车荷载，人群，整体升温，风力对组合值有利时不参与组合，不利时参与组合）
组合3：恒载＋吊杆力＋汽车荷载＋人群＋整体降温＋风力（其中汽车荷载，人群，整体降温，风力对组合值有利时不参与组合，不利时参与组合）
组合系数按规范取值。
3.2主要构件计算结果
（1）拱肋
钢管砼拱肋组合截面中钢管最大压应力为140.06MPa，填充混凝土最大压应力为9.72MPa，出现在拱脚下缘与拱肋交界处。钢管最大拉应力为2.14MPa，填充混凝土最大压应力为0.72MPa，出现在距2＃端横梁1/3跨处。
（2）吊杆
吊杆最大应力为386.56MPa，其钢丝强度为1670MPa，其安全系数为4.32，吊杆安全储备充足。
（3）系梁
系梁上缘最大压应力为11.95MPa，下缘最大压应力为11.31MPa，出现在距离2＃端横梁1/3处，最大拉应力为1.3MPa，出现在1＃端横梁（支座）处；按A类构造设置普通钢筋，能满足设计要求。
（4）中横梁
中横梁上缘最大压应力为8.2MPa，出现在中横梁跨中处，下缘最大压应力为8.6MPa，出现在中横梁1/3跨处，最大拉应力为1.7MPa，出现在中横梁端点处，按A类构造设置普通钢筋，能满足设计要求。
（5）1＃端横梁
1＃端横梁上缘最大压应力为8.8MPa，出现在1＃端横梁1/3跨处，下缘最大压应力为5.7MPa，出现在1＃端横梁1/4跨处，最大拉应力为1.5MPa，出现在1＃端横梁端点处；按A类构造设置普通钢筋，能满足设计要求。
（6）2＃端横梁
1＃端横梁上缘最大压应力为7.4MPa，出现在2＃端横梁1/4跨处，下缘最大压应力为5.3MPa，出现在2＃端横梁1/18跨处，最大拉应力为0.5MPa，出现在2＃端横梁端点处；按A类构造设置普通钢筋，能满足设计要求。
（6）刚度
在荷载短期效应组合作用下，拱顶最大竖向挠度为－44.6mm，预加应力产生的最大竖向挠度为36mm，消除结构自重后拱肋最大挠度为－10.1mm；荷载短期荷载效应组合作用下，系梁跨中最大挠度为－123mm，预加应力产生的最大竖向挠度为37mm，消除结构自重后拱肋最大挠度为－17.5mm。均满足规范要求。
（7）整体稳定
该桥一阶稳定系数为13.047，大于10，结构不会发生整体失稳，满足规范要求。
（8）支座反力
在荷载组合3作用下，2＃拱脚处支座反力为26600KN，1＃拱脚处支座反力为30800KN，所选用支座分别为30MN级球型钢支座，满足使用要求。
4.施工方案
该桥按照先梁后拱的顺序进行施工，施工主要步骤：①河道围堰、桥墩基础及支架施工；②浇注系梁、横梁、拱脚、张拉部分钢束；③空钢管分段制作（钢厂制作）；④系梁上搭设支架、安装拱肋；⑤拆除拱肋支架、安装吊杆；⑥拱肋混凝土灌注、第一次张拉吊杆；⑦施工桥面系、张拉剩余横梁、系梁钢束、接入引桥；⑧再次张拉吊杆；⑨拆除支架、附属工程施工、钢结构防腐涂漆；⑩场地清理，动静载试验。
5.结语
本设计方案通过对拱肋轴线的变化，拟合出白鹭翅膀的外形和翩翩起舞的律动，同时也达到结构受力的要求。下承式钢管混凝土拱桥，其通过系杆来平衡拱的水平推力，解决了软土地区拱桥水平推力无法克服的问题，具有建筑高度小，外形秀美，造价合理等优点。是60~300m跨径的优秀、经典桥型，具有其他桥型无法替代的优势。
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