本文以江蘇連徐高速公路跨越邳州市城南的京杭運(yùn)河特大橋主橋設(shè)計(jì)為背景，簡要介紹了該橋的設(shè)計(jì)過程、構(gòu)造處理特點(diǎn)及其獨(dú)特的創(chuàng)新之處。該橋的順利建成對設(shè)計(jì)所采用的理論及方法進(jìn)行了有效的驗(yàn)證，也為以后修建同類型自平衡體系鋼管混凝土系桿
拱橋的設(shè)計(jì)積累了可靠的資料。優(yōu)美的
橋梁造型及復(fù)雜的高技術(shù)含量居國內(nèi)乃至亞洲同類型
橋梁的領(lǐng)先水平。
一、 概述
京杭運(yùn)河特大橋是連云港—徐州高速公路中的一座特大型橋梁，位于連云港—徐州高速公路K154+498m處(橋梁中心樁號)，橋梁北鄰邳州市，向西跨越古老的京杭大運(yùn)河及彭河，穿過朝陽村，繼而與路線相接，橋梁全長為2577m。該橋由主、引橋組成。其中，主橋結(jié)構(gòu)體系為三跨自平衡體系提籃式鋼管混凝土系桿
拱橋，平面上位于直線段內(nèi)，主跨跨徑為235m。兩邊跨為鋼筋混凝土肋拱構(gòu)成的上承式拱橋，邊孔跨徑為57.5m，主橋全長為350m。主橋位于縱坡為1.6447%及-0.66%，半徑為25000m的豎曲線內(nèi)，由于豎曲線的影響和為滿足橋梁縱坡與路線縱坡的搭配問題，導(dǎo)致了主橋在縱斷面上為一坡拱。為了增加橋梁的整體穩(wěn)定性，有利于結(jié)構(gòu)的抗震和美觀性，主拱肋按1∶5.71的斜率在橫斷面上向橋軸中心線傾斜，從而形成提籃式結(jié)構(gòu)。
引橋全長為2227m。結(jié)構(gòu)體系為部分預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)箱梁?？鐝浇M成為：連云港側(cè)由兩聯(lián)5×30m，一聯(lián)7×30m和一聯(lián)3×30m(變寬度段)連續(xù)箱梁組成，長度為600m；徐州側(cè)由一聯(lián)3×30m(變寬度段)、三聯(lián)7×30m，兩聯(lián)8×30m和兩聯(lián)7×30m連續(xù)箱梁組成，長度為1620m。引橋兩端設(shè)有平曲線，其中，連云港側(cè)位于半徑R=5500m，偏角為46°01′30″(左偏)的圓曲線內(nèi)；徐州側(cè)位于半徑R=7000m，偏角為35°31′08″(右偏)的圓曲線內(nèi)。平曲線的設(shè)置加之雄偉的拱肋使整個橋梁顯示出優(yōu)美的三維曲線美，建成后的大橋雄姿見圖一。
圖一 京杭運(yùn)河特大橋雄姿
二、技術(shù)指標(biāo)
1、設(shè) 計(jì) 荷 載 ：汽車¾超20級，掛車¾120
2、橋面寬度組成：
主橋橋面寬度為：2.75m(系桿及吊桿空間) +0.5m(防撞護(hù)欄)+12.0m(行車道)+ 1.0m (波形梁護(hù)欄)+ 1.0m (中央分隔帶)+ 1.0m (波形梁護(hù)欄) +12.0m(行車道)+0.5m(防撞護(hù)欄)+ 2.75m(系桿及吊桿空間)=33.5m。
3、設(shè) 計(jì) 水 位 ：26.81m。
4、設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。
5、地 震 烈 度 ：地震基本烈度為Ⅷ度。
6、通 航 水 位 ：24.80m。
7、通 航 等 級 ：2級。
8、航運(yùn)通航凈空：65´7m。
三、橋型及構(gòu)造特點(diǎn)
京杭運(yùn)河特大橋?yàn)榇罂鐝阶云胶怏w系提籃式鋼管混凝土系桿拱橋，這一橋型在國內(nèi)系桿拱橋設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚屬首創(chuàng)，因?yàn)樵诖酥八龅娜缦禇U拱橋均為平行拱肋。該橋在縱斷面上呈飛雁式造型，兩側(cè)翼邊跨為上承式鋼筋混凝土拱橋，主跨為中承式鋼管混凝土系桿拱橋。彎曲的拱肋、柔性的橋面系和纖細(xì)的吊桿，組合出一個直與曲、剛與柔的優(yōu)美造型。橫橋向拱肋采用由橫撐連接的提籃式結(jié)構(gòu)，不但增加了橋梁的整體剛度和穩(wěn)定性，有利于結(jié)構(gòu)的抗震，而且還增加了橋梁美觀性。提籃式結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新采用使整個橋梁完全呈現(xiàn)出三維空間受力和幾何特性，加之兩拱肋在縱斷面上的高程不在同一高度上，致使該橋?yàn)橥耆珟缀畏菍ΨQ結(jié)構(gòu)，即橋梁在縱橋向?yàn)橐黄鹿皹?。因此說該橋是拱橋設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)含量最高，設(shè)計(jì)難度最大的
橋梁結(jié)構(gòu)也不為過。
該橋所采用的拱肋截面、帶牛腿的橫梁、承臺系梁構(gòu)造及系桿構(gòu)造處理措施都具有獨(dú)到之處。自平衡體系的形成是靠強(qiáng)大的系桿張力來抵消主跨拱肋產(chǎn)生的水平推力來實(shí)現(xiàn)，水平力的施加是通過在兩邊跨端橫梁上施加強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力，然后通過邊跨拱肋傳遞到拱腳來平衡主拱圈產(chǎn)生的反向推力，從而形成自平衡體系。
京杭運(yùn)河特大橋主孔跨越京杭運(yùn)河主河槽。主拱肋和邊拱肋均向橋軸中心線傾斜，傾角分別為80°3’57.6″和79°52’39.9″，主拱肋為主鋼管、綴板、混凝土和腹桿鋼管組成的桁架是式組合截面，邊拱肋為鋼筋混凝土實(shí)體矩形斷面，系桿均在拱肋端部實(shí)腹段平彎或豎彎。主拱圈和邊跨拱圈的矢跨比分別為1/4及1/8。拱軸系數(shù)經(jīng)過優(yōu)化，其合理拱軸系數(shù)邊、中跨分別確定為1.3及1.33。橋面系恒載及活載由中跨主拱肋吊桿下的橫梁或邊跨拱肋上的立柱橫梁傳遞給主、邊跨拱肋，橫梁有混凝土和鋼箱梁兩大類，橫梁在縱橋向用槽型板連接。橋面橫向包括主拱肋和中央分隔帶在內(nèi)全寬為33.5m。為了保證全橋整體造型風(fēng)格一致，連接兩拱肋的橫撐均采用不灌混凝土的鋼管桁架。主橋總體布置及橫斷面見圖二、三。
圖二 橋梁總體布置圖 單位：cm
圖三 橋梁橫斷面 單位：cm
四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大跨徑自平衡體系提籃式空間曲線鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)，在橋跨布置上一方面要滿足通航凈空和防洪的要求，另一方面還要滿足結(jié)構(gòu)受力、整體剛度及行車舒適性的要求，還要滿足施工便利性，并與其周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)，做到不破壞自然環(huán)境，且與城市景觀協(xié)調(diào)一致。
1、 主拱肋：每肋由4-φ850mm直徑的鋼管組成平行四邊形斷面，這一端面形式為本橋所獨(dú)創(chuàng)，其中鋼管壁厚14mm，主鋼管之間用綴板(每弦間)，綴條(兩弦間)連接，從而形成鋼管混凝土格構(gòu)柱，在第一根吊桿至拱腳段，全截面均填充50號混凝土，并參入UEA微膨脹劑，使其成為實(shí)心截面，主拱肋采用等高度(h=3.7m)等寬度(B=2.0m)的平行四邊形截面，兩主肋在主橋中心處凈距為16.0m，拱腳處中心距離為36.579m。在橫撐的設(shè)計(jì)上充分根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力需要和穩(wěn)定性要求，設(shè)置了兩種類型的橫撐，拱肋間共設(shè)9道橫撐，其中兩邊橫撐為K型，中間橫撐為四邊形，每道橫撐為空鋼管構(gòu)成的格構(gòu)式桁架梁。橫撐外形尺寸為3m×2.85m，橫橋向主鋼管直徑為φ55cm，腹桿鋼管直徑為φ35cm，管壁厚均為10mm。橫撐最大吊裝重量為28t。
主拱肋內(nèi)灌注混凝土，腹桿(第一吊點(diǎn)至拱腳腹桿除外)和橫撐鋼管內(nèi)不灌注混凝土。除φ850鋼管采用Q345-C外,其余全用Q235-C鋼板。
2、 邊拱肋：為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，半波外形，為適應(yīng)其平面內(nèi)的寬度變化，將邊拱肋作成等寬等高平行四邊形實(shí)體截面，其截面尺寸為2´2.5米。邊拱兩片肋之間設(shè)有三道鋼管桁架橫撐，在拱肋端部變截面段設(shè)三道預(yù)應(yīng)力混凝土箱式截面橫梁和一個預(yù)應(yīng)力混凝土帶牛腿的實(shí)體端橫梁。鋼管桁架橫撐的截面尺寸為1.6m×1.2m，預(yù)應(yīng)力混凝土箱式橫梁截面尺寸為1.97m×1.0m，預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)體端橫梁截面尺寸為2.62m×2.0m（不包括牛腿尺寸）。邊拱肋立柱均采用鋼管混凝土柱，其直徑為85cm。
3、系桿：作為連接主跨、邊跨的紐帶，在橋面與拱肋相交處，分別與各片拱肋縱軸線相平行，并置于橫梁之上的系桿箱內(nèi)。在邊跨拱肋端部將系桿拉索分別進(jìn)行平彎及豎彎后，錨固在邊跨端橫梁外側(cè)。本橋系桿為了避免與主拱肋、邊拱肋相交使其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜化，采用熱擠PE平行鋼絞線拉索，以適應(yīng)平面內(nèi)的彎曲變化。其錨固順序與拱肋吊裝施工加載順序相對應(yīng)，系桿拉索需按編號進(jìn)行張拉錨固。成橋后，系桿連同其保護(hù)箱一同隱藏于橋面板的實(shí)心板之內(nèi)，成為永久保護(hù)。全橋系桿拉索共由32孔25φ15.24mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。柔性系桿還有利于解除因其與拱肋剛接而產(chǎn)生的受力復(fù)雜化，使橋面及拱圈受力明確，構(gòu)造處理簡單化。
4、橫梁：全橋橫梁根據(jù)所采用的材料分為預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁和鋼橫梁兩大類，預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁設(shè)在兩邊跨的拱肋變截面段，全橋共有6道。預(yù)應(yīng)力混凝土箱型橫梁，其外形尺寸為100cm×209cm，腹板厚為18cm，頂、底板厚度分別為13cm和15cm。橫梁內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力筋按不同的受力分階段進(jìn)行張拉。鋼橫梁為閉合箱式斷面且在箱底設(shè)有抵抗橫向推力的鋼牛腿，并在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力鋼筋，從而形成預(yù)應(yīng)力鋼箱梁結(jié)構(gòu)。由于鋼箱內(nèi)設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋，有效地降低了橫梁高度，節(jié)省了鋼材。箱頂設(shè)有抗剪錨釘，并與橋面槽型板澆為一體，增加了橋面板的整體性，同時又增加了鋼箱橫梁的抗彎能力。鋼橫梁的平均高度為1.62m，頂?shù)装搴窬鶠?0mm，腹板厚16mm。鋼橫梁兩腹板之間的寬度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、施工及構(gòu)造要求箱梁寬度共劃分為80cm（A類）、83cm（B類）、75cm（C類）80cm（D、E類）五個類別，鋼箱內(nèi)的橫隔板間距有2m及2.5m兩種。
6、 吊桿：為PE鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲束組成，工廠化制作。錨具采用與其配套的可調(diào)試錨具，分別將平行鋼絲束錨固于主拱肋的上綴板及橫梁的下緣，并以橫梁的下端作為標(biāo)高調(diào)整端。吊桿直徑為9cm，全橋采用同一型號。
7、橋面系：由槽型板、空心板、現(xiàn)澆層及橋面鋪裝構(gòu)成，預(yù)制鋼筋混凝土槽形板共有4種類型，預(yù)制槽型板高45cm，寬98 cm; 空心板有5種類型，預(yù)制板之上的現(xiàn)澆層厚6cm; 橋面鋪裝采用瀝青混凝土，厚度為9cm，并在現(xiàn)澆層與鋪裝層之間涂抹一層防水材料。伸縮縫除主橋的兩端設(shè)置伸縮縫外，在與主拱肋相交處也設(shè)置伸縮縫。橋面外側(cè)設(shè)防撞護(hù)欄，內(nèi)側(cè)設(shè)波形梁護(hù)欄，而吊桿外側(cè)邊緣設(shè)不銹鋼輕型護(hù)欄。橋梁側(cè)面設(shè)波型裝飾鋼板，板厚為3mm，以增加橋梁的整體美感。
9、下部構(gòu)造
每個拱座設(shè)置左、右兩個承臺，承臺厚度為4m，平面尺寸為13.7m×13.7m。承臺頂面設(shè)四棱臺拱座，高度為5.5m。左右兩個承臺由斷面為3m ×4.5m的箱型系梁相連，箱型斷面腹板厚度為50cm，頂?shù)装搴穸葹?0cm。為了克服拱腳產(chǎn)生的橫向推力，采用梁內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，并且錨于拱座及承臺外側(cè)面。
基礎(chǔ)采用群樁，每個承臺底由9根φ200cm的鉆孔灌注樁組成，一個拱座下共有18根樁，每根基樁預(yù)埋3根檢測管，基樁樁長為70m。
過渡墩采用矩形柱式墩，斷面尺寸為140cm×140cm?；A(chǔ)采用雙排樁，樁徑為1.2m。過渡墩承臺為一啞鈴形，厚度為2.0m。
10、鋼構(gòu)件的防腐及涂裝
對于鋼構(gòu)件來說，其防腐措施及材料的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命，所以本橋從保證質(zhì)量方面考慮優(yōu)先選擇技術(shù)先進(jìn)使用壽命長的電弧熱噴涂鋅鋁復(fù)合涂層技術(shù)，重點(diǎn)對該橋鋼拱肋、鋼橫梁等鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的防腐處理。
在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理前，應(yīng)對其進(jìn)行噴砂除銹及表面粗糙化，并進(jìn)行防銹涂裝。鋼構(gòu)件除銹等級應(yīng)達(dá)到GB8923—88標(biāo)準(zhǔn)Sa3.0級，清潔后鋼構(gòu)件表面的粗糙度應(yīng)達(dá)到GB9793—88標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Rz40—80mm。鋼構(gòu)件的外表防銹涂裝采用電弧熱噴涂鋅鋁復(fù)合涂層工藝，鋅涂層厚度80—120mm，鋁涂層100—150mm，使用年限要求小于60年。噴涂機(jī)采用DPT—302電弧噴涂機(jī)。鋼構(gòu)件內(nèi)的表面防銹涂裝采用兩道無機(jī)富鋅底漆(2´75μm)。
電弧熱噴涂鋅鋁復(fù)合涂層所使用的材料應(yīng)符合GB3190中L2的要求，含鋅量99.95%，含鋁量³99.5%。電弧熱噴涂鋅鋁復(fù)合涂層的外觀應(yīng)均勻一致，無松散粒子，不允許有破裂、剝落、漏噴 、分層、鼓泡等缺陷。
五、施工特點(diǎn)
邳州京杭運(yùn)河特大橋的拱肋施工方法為主跨鋼管拱肋采用豎轉(zhuǎn)方案，邊跨混凝土拱肋采用支架現(xiàn)澆方案，該橋主跨拱肋因呈提籃形狀，其豎轉(zhuǎn)過程不同于平行拱肋，豎轉(zhuǎn)技術(shù)含量遠(yuǎn)比一般豎轉(zhuǎn)方法復(fù)雜，在進(jìn)行了系列施工技術(shù)創(chuàng)新后使其豎轉(zhuǎn)方法得以成功實(shí)現(xiàn)。支架拼接及豎轉(zhuǎn)施工方法的采用解決了高空拱肋接頭施焊的難度，提高了接頭的施工質(zhì)量，克服了纜索吊裝的不穩(wěn)定性，方便了施工，保證了安全。施工過程中的照片見圖四。
圖四 支架拼裝主拱肋
1、該橋施工工藝復(fù)雜，首先是主拱肋的放樣和焊接，需分段在工廠放樣施焊，而且分段放樣長度需根據(jù)焊接時溫度和吊裝溫度差予以調(diào)整。主拱肋采用液壓提升豎向轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體施工示意如圖五。
圖五 豎轉(zhuǎn)施工方案示意
2、搭設(shè)支架現(xiàn)澆邊跨拱肋混凝土及制作上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，張拉主墩系梁預(yù)應(yīng)力束及邊跨各中、端橫梁預(yù)應(yīng)力筋。
3、按對稱原施工原則灌注拱肋及綴板內(nèi)混凝土，吊裝橫梁及槽形板，最后現(xiàn)澆橋面及鋪設(shè)瀝青混凝土。系桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)根據(jù)施工階段分批張拉，張拉系桿預(yù)應(yīng)力時，應(yīng)不斷觀測主拱肋位移及拱腳水平位移，使得拱腳水平位移控制在5mm以內(nèi)，而拱肋控制點(diǎn)位移應(yīng)符合設(shè)計(jì)提供的位移和標(biāo)高，在全橋施工中，根據(jù)施工階段進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，及時記錄主拱肋及邊拱肋的內(nèi)力及撓度，并對其觀測結(jié)果進(jìn)行分析整理，以此指導(dǎo)下一階段工作。
六、結(jié)語
邳州京杭運(yùn)河特大跨徑自平衡體系提籃式空間曲線鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)是一種全新的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)在亞洲范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平；拱肋截面形式為本橋所獨(dú)有；鋼橫梁的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新；結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的空間非對稱幾何形狀，使其成為目前最復(fù)雜的
橋梁結(jié)構(gòu)；提籃式結(jié)構(gòu)的采用，不但增加了橋梁的整體剛度，而且對結(jié)構(gòu)的抗震非常有利；在該橋的設(shè)計(jì)中采用了大量新技術(shù)、新方法及新材料，保證了結(jié)構(gòu)的安全性；該橋的檢測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)理論計(jì)算吻合良好。運(yùn)營狀況優(yōu)良。
在此對參與本橋設(shè)計(jì)的全體成員和關(guān)心本橋設(shè)計(jì)、施工的各方專家及領(lǐng)導(dǎo)表示衷心的感謝！
