连续梁拱组合桥VIP

应用在我省的新型桥型连续梁拱组合桥刘建云(江西省赣南公路勘察设计院 赣州 341000)摘 要：预应力砼连续梁拱组合桥桥型为国内先进技术，首次应用在我省梅林大桥工程，填补了该桥型在我省设计和施工上的空白。本文通过梅林大桥设计实例，介绍了连续梁拱组合桥的基本知识及其适用范围。关键词：桥梁工程；新型桥型；介绍；设计实例610 前 言梅林大桥设计招标中，江西省赣南公路勘察设计院主桥方案以预应力砼连续梁拱组合桥桥型中标，进行了认真的设计并交付施工。该桥型为国内先进技术，首次应用在我省，填补了我省该桥型设计和施工的空白。1 概述1.1设计要求梅林大桥位于江西省赣县梅林镇东侧，是横跨贡江下游的一座特大桥，桥址处常水位河宽近500m。东岸为岩石山岭，西岸为人工土堤。河床为砂卵石覆盖层厚6m-11m，除东岸桥台为明挖基础外，其余桥墩、台基础不宜明挖。根据通航要求，主航道梁底标高必须大于117.33m（黄海标高，下同），但西岸引道不宜填筑太高，否则，不仅增加桥台工程量，而且填筑引道的土石方要从3km以外的地方借调，将增加工程造价。为减少投资，引桥可以采用建筑高度小的中小跨径桥梁，关键是主桥桥型方案的选择，要解决如下问题。问题一，主桥跨径要满足（4）级通航净空要求，又要尽量减小建筑高度，降低西岸引道标高。问题二，避免通过加大下部构造和基础尺寸来承担拱脚的水平推力，拱桥的的基础最好不承担拱脚的水平推力，只承受其竖直力。问题三，大桥兼有公路桥梁和城市桥梁的功能，要求桥型既适用经济又新颖美观经济，成为城市的重要景点。1.2设计构思1.2.1引桥设计的构思 在中、小跨径方面，由于砼拱桥省料，施工技术要求不高，能充分发挥砼受压性能等优点，因此造价低廉。通常被应用在我国梅林大桥引桥河道较平坦，但河床覆盖层较厚，桥高近27m，下部构造造价较高，宜选用30-40m跨径的预应力砼梁式桥较为经济。基础选用钻孔灌注桩，桩长13m-20m。1.2.2主桥设计的构思 近年来，我国桥梁工程技术有了长足的进步，特别是大跨度桥梁，如悬索桥和斜拉桥。由于投资经费限制，主桥长度控制在200m内。砼斜拉桥的经济跨度一般在200m以上。对于60m-200m范围的桥梁，能够参与竞争的桥梁形式主要是砼拱桥与预应力砼连续梁桥。砼拱桥需要有良好的地基以承担拱脚的水平推力。当要满足通航净空要求，同时要压缩引道长度或降低高填土高度时，对于上承式砼拱桥只能用较小的矢跨比（一般l=18），但它对温度变化及地基变形特别敏感，所产生的瞬时内力往往要控制设计；同时这类拱桥起拱线较低，在常水位条件下，船只和漂流物容易撞击拱腿，危及桥梁。因此只能考虑中承式或下承式拱桥较合适。同时要注意的是，引桥采用梁式桥桩基础时，主桥中主拱的基础最好不承担拱脚的水平推力，只承受其竖直力，以便主桥和引桥更好的联接。也就是说，拱桥内部为超静定结构，外部应为静定结构。这正是本文介绍的新型桥梁结构梁拱组合结构的设计思路。目前国内较多采用中承式连续梁拱组合式桥梁的重要原因，首先是跨越能力较大，材料较省，施工也较方便，同时该种桥型也较美观，符合韵律起伏，不象简支梁拱组合桥那么单调。而预应力砼连续梁桥或预应力钢筋砼连续刚构，虽然是常规技术有较成熟的施工经验，但桥型老套并不新颖，而且造价相差不大。见表1。表1 梅林大桥主桥方案每平方m主要材料指标表材料单位方 案 A（梁拱组合桥）方 案 B(连续刚构桥)方 案C(预应力砼T梁)砼M31.881.771.73钢(筋)材277194114钢绞线或高强钢丝29.561.930.1经济指标元421936243071注：表中“经济指标”为主桥上部构造、下部构造和基础等主体工程直接费与间接费之和。表中方案A为42+106+42m预应力钢筋砼梁拱组合，钢筋砼空心墩；方案B为60+90+60m预应力砼连续刚构，钢筋砼空心薄壁墩；方案C为40+250+40m预应力钢筋砼变截面连续箱梁，钢筋砼薄壁墩；三方案均采用钻孔灌注桩基础。综上所述，梁拱组合结构桥梁是符合设计意图、经济合理的。2 梁拱组合式桥梁主要形式及其适用经济跨径梁拱组合结构的设计特点是，外部为静定结构，内部为高次超静定结构，主要承重构件除拱肋外，还要有加劲纵梁，它与横梁组成平面框架，由吊杆上下联系以达到共同受力的目的。它的跨越能力一般在400m以下，常用的跨径是40m-120m的范围。梁拱组合式桥梁主要形式有简支梁拱组合式桥梁、单悬臂梁拱组合式桥梁和连续梁拱组合式桥梁三大类。其中以连续梁拱组合式桥梁的跨越能力最大，其形式多种多样。梁拱组合结构桥梁适用经济跨径和常用的施工方法见表2。表2 适用经济跨径和常用的施工方法桥型适用经济跨径常用的施工方法少支架无支架转体施工悬臂拼装少支架拼装或现浇简支梁拱组合梁40-120单悬臂梁拱组合梁40-80连续梁拱组合式梁上承式50-120中承式60-250下承式40-120简支梁拱组合式桥梁只用于下承式，常为刚拱刚梁结构，见图1a)。如位于苏州市外港线的斜港桥，主跨径为100.5m，钢管砼双肋，带悬臂箱梁。单悬臂梁拱组合式桥梁只适用于上承式，这样的结构加劲梁（采用预应力砼）受拉弯作用，拱肋（采用钢筋砼）受压弯作用，见图1b)。如武进县奔牛东桥，该桥主跨跨径80m，挂梁为12m，转体施工，桥型轻巧美观，造价低廉。连续梁拱组合式桥梁根据车道位置不同，可以是上承式、中承式及下承式，也可以是多肋拱、双肋拱或单肋拱与加劲梁组合，见图1c)-图1e)。吴江市东陵镇的云梨大桥是上承式连续梁拱组合式桥梁，跨径为35+75+35m。拱肋为钢筋砼4片拱肋，加劲梁为4片加劲T型组合梁。赣县梅林镇梅林大桥为中承式连续梁拱组合式桥梁，跨径为42+106+42m，拱肋为钢筋砼2片拱肋，加劲梁为2根矩形梁。图1 连续梁组合式桥梁边中跨尺寸示意图3 连续梁拱组合桥受力分析上承式连续梁拱组合式桥梁，空腹部分由加劲纵梁、拱肋及立柱组成，其余为实腹部分，采取变截面的T形梁。桥梁弯矩剪力内力高峰值由组合结构承担。其中加劲纵梁承担拉力及局部弯矩，拱肋承担轴压力及弯矩，剪力主要由拱肋轴力的垂直分力承担，与一般的拱桥相同。在此剪力不再控制断面设计。用下列公式可表示其关系。Mm=M 0m Hym=M 0m + M bm Qm=N am sinm + Q m cosm + Q bm 中承式连续梁拱组合式桥梁一般由3跨组成，它包括2个半拱及1个全拱与通长的加劲纵梁，其间设置立柱及吊杆。它是由2个半悬臂梁拱相结合，单悬臂梁端的连接处为固接，在此中跨的拱分桥面以上及桥面以下。它的力学特征同上2式，其ym值仍旧是拱肋轴线至加劲纵梁的距离。下承式连续梁拱组合式桥梁实际上为3跨变截面连续梁，中孔用全拱来加强，以降低中孔加劲纵梁的建筑高度。它的力学特征仍然服从于上2式。两个边跨由于受到中跨拱的刚度影响，减少了正弯矩的负担，扩大了负弯矩的区域，这有利于配置预应力素。根据梁拱刚度比可把梁拱组合体系分为3类：系杆拱a /Ib4，柔拱刚梁a /Ib0.25，刚拱刚梁介于上述比例之间。梅林大桥设置分离式加劲梁，成为刚拱刚梁的计算图式。该桥型具有良好的刚度。4 梅林大桥设计实例4.1桥位特征与技术标准梅林大桥跨越赣江一级支流贡江，桥址处流域面积27039 km2，距入赣江口10km。地处赣县县城开发区，也是赣州市近郊。项目的实施既可使323国道过境车缩短公路行驶里程2.57km，二级公路技术标准。梅林大桥荷载标准为汽超20级，挂120，人群荷载3.5kN/m。设计洪水频率1/100，通航等级为(4)级, 通航洪水频率1/20,通航净空B=40m，H=10m。行车道宽15m，人行道宽21.5m。桥上设置1.8%的单向纵坡。桥址处Q1%=16100 m 3/s，相应设计水位Hsw=109.84 m，平均流速V=2.26 m /s。常水位水深1-3m。主航道偏于东岸，最大通航水位Hth=107.33m。由通航要求控制桥面设计标高。 梅林大桥桥址河段特征为次稳定性河段，河槽断面为复式断面，属河谷地貌。东岸桥头为石质河岸，西岸桥头为级阶地，西岸引道填高越小越好。河床中砂卵石厚6m-11m，下卧白垩系基岩层呈含砾泥质粉砂岩与砾岩互层状，其强风化、中风化层厚度3m-9m，微风化岩层顶面高程81.05m-84.26m。4.2总体布置与构造特点主桥上部构造分跨为42m+106m+42m梁拱组合桥，下部构造为钢筋砼空心墩，引桥为9孔40m装配式后张法预应力砼T梁，桥长558.25m。总体布置图见图2。图2 梅林大桥总体布置主桥采用中承式连续梁拱组合式桥梁，边跨跨径中跨跨径=0.3961，边跨梁端设平衡重，确保恒、活载作用下主墩不出现负反力。主桥承重构件为拱及加劲梁（纵系梁），设二榀分列，人行道用悬臂板挑出，桥面布置0.25（栏杆）+1.5（人行道）+1.5（拱肋宽）+15（行车道）+1.5（人行道）+1.5（拱肋宽）+0.25（栏杆）=21.5m，肋中距16.5m。主航道梁底标高117.60m，桥面中心标高120.06m，拱肋上缘标高135.88m。主跨拱轴线为二次抛物线（边跨为圆曲线），矢跨比l=14。拱肋尺寸bh=150150，节点和吊杆位置为实心矩形，其余为箱形。加劲梁尺寸bh=150200，比同跨径其它桥建筑高度小。加劲梁间设置间距为6 m的横梁，其断面形式为矩形。拱肋间桥面以上设三根风撑，桥面以下设K形下风撑。按有支架现浇的施工方法施工。拱与加劲梁间在桥面以下设立柱，桥面以上设柔性吊杆，每根吊杆内穿一束617.0高强钢丝，外套以1708无缝钢管。加劲梁设置12束12j15.24钢绞线直线束（OVM锚具），在大节点（加劲梁与拱肋相交点）至边跨端部的加劲梁中增设4束12j15.24钢绞线短直线束，减少预应力对桥墩的影响。横梁设置6束7j15.24钢绞线直线束（OVM锚具）。主墩采用8D200钢筋砼钻孔灌注桩，桩长12.5m。引桥布置为0.25（栏杆）+1.5（人行道）+15（行车道）+1.5（人行道）+0.25（栏杆）=18.5m。上部构造采用跨径40m装配式后张法预应力砼T梁，8梁式，梁间距2.2m，梁高2.5m，采用13束245碳素钢丝。下部构造为2柱2桩式钢筋砼钻孔灌注桩（D200）。5 结 语连续梁拱组合式桥梁是一种近年来发展的新型桥型，有较大的推广应用价值。通过梅林大桥设计，笔者认为该桥型设计中还应注意如下几个问题。从经济和美观来说，根据河面宽和桥型