1 前 言
梁拱組合體系，顧名思義，是梁和拱的組合，二者協(xié)作共同承擔(dān)跨徑范圍內(nèi)的荷載。自上世紀(jì)90年代以來，梁拱組合體系橋在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展，數(shù)量大幅增長，跨徑不斷突破，造型也不斷推陳出新。
杭州市麗水路跨杭鋼河大橋通航孔跨度約需130 m，采用梁拱組合體系橋是較合理的選擇之一。經(jīng)過不同形式橋梁方案綜合比選，選定連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋方案，不僅較好滿足了建設(shè)工期、施工條件、使用性能和耐久性的要求，并且有良好的景觀效果，為梁拱組合體系橋的發(fā)展增添了新的形式。
2 建設(shè)條件
麗水路道路平面線形基本平行于京杭大運(yùn)河，道路緊貼京杭大運(yùn)河駁岸，大橋位于杭鋼河與京杭大運(yùn)河的交匯口。杭鋼河水位較平穩(wěn)，橋位處常水位水深約4m，通航等級Ⅵ級。場地地貌屬濱海湖沼相沉積平原，持力層微風(fēng)化凝灰?guī)r層埋深約55 m 。
大橋按城市主干道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，計(jì)算行車速度8Okm／h，雙向4車道，橋面還布置有中央隔離帶、機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車隔離帶、非機(jī)動(dòng)車道、人行道等，橋面全寬37 m。汽車荷載按城一A級設(shè)計(jì)，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 77-98)規(guī)定取值。
3 方案比選
主跨跨度根據(jù)通航及規(guī)劃要求確定采用130m，橋型比選遵循以下原則：①橋位附近將規(guī)劃作為運(yùn)河游船?？看a頭，要求河道內(nèi)不設(shè)橋墩，并確保橋下凈空高度5．5 m；② 麗水路串連沿京杭運(yùn)河的貨物碼頭，重載貨運(yùn)車輛較多，因此要求橋梁有較好的強(qiáng)度和剛度；③ 杭州段京杭大運(yùn)河將開發(fā)運(yùn)河觀光旅游，杭鋼河大橋正處于運(yùn)河一線景觀帶，因此要求橋梁設(shè)計(jì)體現(xiàn)美觀性。
連續(xù)梁橋方案技術(shù)成熟、整體性好、行車舒適，但梁高較大，其根部梁高達(dá)7．5 m，不符合橋下凈空要求，同時(shí)，橋梁整體造型較普通，不符合美觀性的要求，故不推薦連續(xù)梁橋方案。
部分斜拉橋方案基本符合橋型比選原則，但是鄰近本橋已經(jīng)建設(shè)一座，為避免橋型雷同，因此也不推薦。
經(jīng)過綜合比選，認(rèn)為梁拱組合體系橋是可行的橋型方案。梁拱組合橋根據(jù)拱肋與主梁截面的剛度比，可分為剛拱柔梁、剛拱剛梁以及柔拱剛梁3種體系。剛拱柔梁體系由于不設(shè)縱向加勁梁，因此橋梁整體剛度較差，尤其是跨徑大、橋面寬的時(shí)候，其整體穩(wěn)定性和動(dòng)力特性較差，不適合重載交通的需要。剛拱剛梁一般采用簡支的形式，主梁一般為縱橫梁梁格體系，橋面采用預(yù)制鋼筋混凝土板鋪在橫梁上，然后現(xiàn)澆橋面鋪裝聯(lián)合成整體。此種橋型穩(wěn)定性、動(dòng)力特性較剛拱柔梁體系有較大改善，故得到較多應(yīng)用，缺點(diǎn)是縱橫梁梁格體系外露，外觀較為凌亂。
鑒于以上比較，結(jié)合杭鋼河大橋設(shè)計(jì)原則，提出一種柔拱剛梁的方案——連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋方案，橋型布置見圖2。
連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋是一種新穎的梁拱組合結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)內(nèi)力由連續(xù)梁和提籃拱聯(lián)合分擔(dān)。此種橋型兼具2種橋型的優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)梁橋剛度大，整體性好，行車舒適；提籃拱橋造型美觀，穩(wěn)定性好。同時(shí)可避免2種橋型各自的缺點(diǎn)：梁橋主梁高度大，體型笨重；普通提籃拱橋動(dòng)力特性較差。
4 連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4．1 加勁梁設(shè)計(jì)
變高度箱梁作為加勁梁用于連續(xù)梁拱組合橋已有較多的工程實(shí)例，無論從結(jié)構(gòu)受力還是橋梁造型來看都是合適的。加勁梁跨中梁高受吊點(diǎn)橫梁橫向受力的控制，與橋面寬度，吊桿順橋向、橫橋向間距有關(guān)；加勁梁中支點(diǎn)梁高確定彈性較大，取決于設(shè)計(jì)者對拱肋參與全橋受力程度的定位，如果中支點(diǎn)梁高設(shè)計(jì)接近中跨跨度的1／18左右，則梁拱組合體系橋退化為連續(xù)梁橋，拱肋退化為景觀裝飾品。
杭鋼河大橋加勁梁采用單箱五室大懸臂變高度箱形截面，跨中梁高2．5 m，高跨比1／52；中支點(diǎn)梁高4 m，高跨比1／32．5，邊支點(diǎn)梁高2 m，梁底曲線按二次拋物線變化。箱梁頂寬37 m，單側(cè)懸臂長4．8 m，箱梁底寬27．4 m。加勁梁中跨布置橫隔梁，間距與吊桿位置一一對應(yīng)，橫隔梁厚35 cm。加勁梁邊跨屬于配跨，在邊支點(diǎn)不出現(xiàn)負(fù)反力的前提下，其跨徑宜盡量縮短以減小預(yù)應(yīng)力配置難度，根據(jù)試算，其邊跨與中跨的比例宜控制在0．35～0．40，邊跨不設(shè)置橫隔梁，其構(gòu)造類似于常規(guī)梁橋。
4．2 主拱設(shè)計(jì)
主拱截面形式與拱肋的受力、穩(wěn)定以及施工方法密切相關(guān)。柔拱剛梁結(jié)構(gòu)體系中，主拱內(nèi)力以軸向受壓為主，各個(gè)控制截面彎矩都很小，而受壓是混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)項(xiàng)，因此主拱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是合適的；提籃拱往往設(shè)置多道風(fēng)撐，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性憑此可得到保證，因此，拱肋截面形狀變化對橋梁整體穩(wěn)定影響不大，考慮到盡量減少拱肋的橫向?qū)挾壬僬紭蛎婵臻g，主拱截面宜設(shè)計(jì)成高度大于寬度的形式。
杭鋼河大橋拱肋布置在機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車分隔帶內(nèi)，拱腳固定在中橫梁上，拱肋計(jì)算跨徑130 m，拱軸線采用二次拋物線，面內(nèi)矢跨比為1／4．75，內(nèi)傾12。形成提籃狀。
大橋拱肋采用鋼管混凝土圓端形截面，寬1．7m，高2．55 m。鋼管分5段進(jìn)行現(xiàn)場拼接，其中拱腳段鋼管厚25 mm，其余段鋼管厚22 mm。鋼管內(nèi)部采用環(huán)形鋼板加勁，間距1 m，并布置剪力鍵加強(qiáng)鋼管和混凝土的結(jié)合力，鋼管內(nèi)灌C4O自密實(shí)混凝土。主拱截面示意見圖3。
4．3 吊桿設(shè)計(jì)
吊桿采用GJ15—27鋼絞線整束擠壓式拉索體系，每根吊桿由27根聲φ
s15．2 mm光面無粘結(jié)鋼絞線纏包后熱擠HDPE構(gòu)成，吊桿安全系數(shù)3．5。全橋共19對吊桿，吊桿在梁上水平間距為5．8 m，上端錨固在拱肋頂部，下端錨固于梁底，采用下端張拉。吊桿錨頭構(gòu)造設(shè)置在梁和拱肋的外部，以方便吊桿檢查和更換。由于加勁梁剛度較大，經(jīng)過計(jì)算，更換任意1根吊桿時(shí)，對主梁應(yīng)力的影響最大不超過2．5 MPa，故對將來的換索帶來了極大的方便。
4．4 風(fēng)撐設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)風(fēng)撐設(shè)計(jì)往往僅從結(jié)構(gòu)分析出發(fā)設(shè)計(jì)成“一”字撐或K 撐的形式，對橋梁整體造型考慮較少。杭鋼河大橋風(fēng)撐系統(tǒng)由風(fēng)撐骨架和造型部分組成，其中風(fēng)撐骨架為受力系統(tǒng)，起保持拱肋整體穩(wěn)定的作用，采用鋼箱截面“一”字撐；造型部分由8 mm鋼板和必要的加勁件組成，計(jì)算時(shí)不考慮此部分對整體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)。風(fēng)撐骨架和造型鋼板通過焊接形成風(fēng)撐整體造型，渾然一體，從橋面向上看，為4個(gè)橢圓挖空面，造型別具一格。風(fēng)撐布置平面投影見圖4。
5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
5．1 靜動(dòng)力性能分析
就靜力性能而言，連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋兼具連續(xù)梁橋和提籃拱橋的優(yōu)點(diǎn)，梁、拱的內(nèi)力分配具有一定的靈活性。具體設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可在保證主拱應(yīng)力有一定安全儲(chǔ)備的情況下，盡量提高吊桿張拉力，然后在此基礎(chǔ)上配置加勁梁預(yù)應(yīng)力鋼柬，此種方法可確保組合結(jié)構(gòu)發(fā)揮出各自的承載潛力。
杭鋼河大橋靜力計(jì)算結(jié)果表明，拱肋內(nèi)力以軸力為主，彎矩較小，拱腳軸力3．74×1O kN，彎矩1．O5×10 kN ·m，屬于典型的小偏心壓彎構(gòu)件，這是非常適合鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力組合形式，可最大限度確保鋼一混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)合受力，符合平截面假定。加勁梁按預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算，中跨配束以直線束為主，邊跨配束規(guī)律接近常規(guī)梁橋。使用階段邊吊桿應(yīng)力幅53．4 MPa，中吊桿應(yīng)力幅57．9 MPa。
動(dòng)力計(jì)算采用大型有限元程序MIDAS／Civil，對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，加勁梁、拱肋、風(fēng)撐均采用空間梁單元，吊桿采用桁架單元，橋面鋪裝和橋面系僅考慮質(zhì)量，不考慮剛度，計(jì)算結(jié)果見表1。
由表1可見：①橋面的振型明顯滯后于拱肋，說明加勁梁的剛度遠(yuǎn)大于拱肋；②第1、第2振型均為拱肋面外撓曲振動(dòng)，表明拱肋的面外撓曲剛度小于豎向撓曲剛度；③ 根據(jù)文獻(xiàn)[1]及相關(guān)資料，系桿拱橋的橋面1階振動(dòng)頻率一般分布在1．0左右，本橋橋面振動(dòng)頻率較高，說明剛度較大，動(dòng)力特性較常規(guī)系桿拱橋優(yōu)越。
5．2 整體屈曲分析
屈曲分析計(jì)算主要考慮拱肋的穩(wěn)定性。將拱肋看作無初始缺陷的彈性結(jié)構(gòu)，則在逐漸加載過程中，拱肋的平衡形式將出現(xiàn)分支，使原有的平衡狀態(tài)失去穩(wěn)定而轉(zhuǎn)向新的平衡狀態(tài)，此時(shí)，拱肋即出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)。盡管屈曲分析主要適用于分析理想完善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但由于概念明確，求解方便，因而目前仍被廣泛用于判斷橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般要求臨界荷載系數(shù)不小于4。
杭鋼河大橋屈曲分析仍采用有限元程序MI—DAS／Civil建立空間梁單元模型，計(jì)算得到的前4階臨界荷載系數(shù)見表2。
常規(guī)系桿拱橋1階失穩(wěn)模態(tài)為面外側(cè)向?qū)ΨQ失穩(wěn)，本橋由于拱肋內(nèi)傾l2°，因此具有較常規(guī)系桿拱橋大得多的側(cè)傾穩(wěn)定性【2】 ，故先出現(xiàn)面外反對稱失穩(wěn)模態(tài)；1階I臨界系數(shù)較大，說明本橋整體穩(wěn)定性良好。
6 施工方案
根據(jù)柔拱剛梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋整體上一般采用“先梁后拱”的施工方案。加勁梁施工有2種思路，一是全跨支架法分段現(xiàn)澆；二是利用加勁梁剛度較大的特點(diǎn)，主梁根部附近節(jié)段采用掛籃施工，跨中部分和邊跨端部采用支架法現(xiàn)澆合龍。具體施工方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工條件選擇，并在設(shè)計(jì)中有針對性的考慮。
杭鋼河大橋邊跨均在岸上，且現(xiàn)狀河道尚未拓寬到規(guī)劃寬度，具備支架施工條件，因此加勁梁施工采用臨時(shí)墩+貝雷支架法分段現(xiàn)澆施工的方式，并用已建成的加勁梁橋面搭設(shè)支架，再用卷揚(yáng)機(jī)分段提升、拼裝焊接鋼拱肋、風(fēng)撐，然后灌注拱肋內(nèi)部自密實(shí)混凝土，拱肋落架，第1次張拉吊桿，加勁梁落架。最后施工橋面系，并張拉吊桿到設(shè)計(jì)張拉力，作通車準(zhǔn)備。
7 結(jié) 語
預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一提籃拱組合體系橋作為一種新的梁拱組合形式，首次應(yīng)用在國內(nèi)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)上。該橋型具有優(yōu)良的靜動(dòng)力性能，有廣泛的適用性；全橋整體性良好，耐久性較好，吊桿更換方便；施工較為靈活、方便；同時(shí)，橋梁造型優(yōu)美流暢。通過設(shè)計(jì)理論和施工工藝的不斷完善，有望成為80~200 m跨徑橋梁方案的有力競爭者。目前，杭鋼河大橋已進(jìn)入實(shí)施階段，預(yù)計(jì)2010年6月竣工通車。
參 考 文 獻(xiàn)：
【1】陳寶春．鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M]．北京：人民交通出版社，1999．
[2]張慶明，周 罡．大跨徑提籃拱的拱肋側(cè)傾角對穩(wěn)定性影響的研究[J]．橋梁建設(shè)，2007，(4)：32—34．
