3跨连续中承自锚式柔性系杆拱桥设计研究

2010-08-03任为东

铁道标准设计 2010年2期

关键词：刚构主跨系杆

任为东

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

近年来随着基础交通建设投入的加大,国内陆续新建了许多大跨度桥梁,桥梁设计和施工水平均不断提高,在很多方面已经处于国际领先水平。拱桥这一在中国有着悠久历史的桥型,也由于具有其他桥型无法比拟的景观效果,在市政桥梁的建设中更容易获得人们的青睐。

1 背景

拱桥通过拱肋承受桥面传递的竖向荷载,在拱脚处对基础产生竖向和水平力,拱肋截面以受压为主,从而能够充分发挥结构材料的抗压性能。在以前人们只能利用自然界提供的天然材料来修建桥梁以满足人类跨越河流、沟渠时,拱桥是最适合的一种结构形式。

拱桥的受力形式有多种。对于下承式拱桥,通常让梁、拱组合受力形成无推力的系杆拱桥,根据拱、梁的刚度大小还可分成刚梁刚拱、刚梁柔拱或柔梁刚拱,其中柔梁刚拱的形式更适合用于大跨度桥梁(图1)。

图1 下承式简支系杆拱桥

下承式的系杆拱桥一般设计成单跨简支结构,外部为静定结构,内部为超静定结构,可提供较高的抗剪和抗弯能力。如果桥梁受到桥下净空的限制,一般则考虑采用中承式拱桥,桥面梁从拱肋中部通过。当拱脚处基础可以提供足够的水平抵抗力,也可做成单跨无铰拱。最近几年来,在平原地区为了跨江跨河陆续修建了多座大跨度中承式拱桥,由于平原地区的基础地质条件大都无法提供有推力拱桥所需的水平抗力,故一种新型的桥梁形式——3跨连续中承自锚式柔性系杆拱桥应运而生(图2)。其主要特点为利用桥面系的柔性系杆张拉力来平衡主拱恒载对基础产生的水平推力,使主拱基础仅承受拱肋传来的活载及升降温度产生的水平推力。

图2 3跨连续中承自锚式系杆拱桥(又称飞燕式)

2 国内几座 3跨连续中承自锚式柔性系杆拱桥的简介

2.1 丫髻沙大桥主桥

在此类桥梁中比较有代表性的是广州丫髻沙大桥主桥,其修建于 1998年,竣工通车在 2000年 6月。主桥跨度为 76m+360m+76m 3跨连续自锚式钢管混凝土拱桥,桥面为双向 6车道并设紧急停车带,在当时同类型桥梁中世界排名第一。边跨、主跨拱脚均固结于拱座,边跨曲梁与边墩之间设置纵桥向活动盆式橡胶支座,在两边跨端部之间设置钢绞线系杆,其拉力通过边拱拱肋来平衡主拱拱肋所产生的水平推力。结构形式是标准的 3跨“飞燕式”拱桥(图3)。

(1)主拱拱肋采用中承式双肋悬链线无铰拱,计算跨度 344m,矢跨比 1/4.5,拱轴系数 m=2。每肋由6φ750mm钢管混凝土组成,由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架。在拱肋的弦管和平联板内灌注C50高强混凝土。

(2)边拱拱肋采用上承式双肋悬链线拱,计算跨径 71.0m,矢高 27.3m,矢跨比为 1/5.2,拱轴系数 m=2。每肋由高 4.5m、宽 3.45m的 C50钢筋混凝土箱梁组成。

(3)桥面系:主桥桥面系为由钢横、纵梁组成的格子梁体系,混凝土桥面板与钢横梁组合截面共同受力,纵桥向受力为混凝土桥面纵梁。

图3 丫髻沙大桥立面、平面布置(单位:mm)

(4)系杆布置在桥面系钢横梁每端吊点(支点)两侧,全桥共设置 10×2=20束 ,每束采用OVMXG15 37钢绞线拉索体系,Rby=1 860 MPa。系杆外包双层PE热挤塑护套。每束系杆的拉力为 5 000 kN,全部施工过程中每索只需张拉一次。

2.2 卢浦大桥

卢浦大桥主桥跨度为 100m+550m+100m,主跨拱肋矢跨比 f/L=1/5.5。桥面为双向 6车道(图4)。其桥面系和拱肋的结构又代表了另外一种思路。全桥结构形式从外形上同丫髻沙大桥也是标准的“飞燕式”式结构,但是其边拱系梁与拱肋、立柱、边拱边墩侧端横梁、中跨拱梁结合段横梁固接,形成一稳定的三角刚架体系,有效地提高了桥梁整体的刚度。

图4 卢浦大桥立面、平面布置(单位:m)

(1)卢浦大桥拱肋采用整体钢箱结构,箱宽 5m,高度从拱顶 6m到拱脚 9m,桥面以上两片拱肋间设置25道一字横撑,桥面以下设 8道 K字撑。

(2)边跨桥面为整体单箱多室钢箱;主跨桥面为分离式双箱,桥面板为正交异性钢板。主跨加劲梁的两端支承在主跨拱梁交汇处的横梁上,端支承为纵向滑动支座。横桥向和纵桥向设置阻尼装置。边跨桥面加劲梁两端分别与拱肋固接。

(3)在两边边跨端横梁之间设置 16道水平系杆,以平衡主跨产生的近 200 000kN的水平推力。每根系杆由 421φ7mm平行钢丝束组成,单根长度 761m。

2.3 新光大桥

新光大桥的主桥跨度为 177m+428m+177 m 3跨中承式拱桥,主跨矢跨比 f/L=1/4。桥面为双向 6车道(图5)。

(1)拱肋结构:主、边拱拱肋均为钢箱桁架结构,两拱肋的横向中心距为 28.1m。拱顶截面径向高为7.5m,拱脚截面径向高为 12.0m。拱肋上、下弦均为箱形断面,箱高为 1.58m,箱内宽为 2.10m;拱肋腹杆为“H”形截面,与上、下弦整体节点板通过高强度螺栓连接。

图5 新光大桥立面、平面布置(单位:m)

全桥共设置 11组横撑,主拱拱肋 7组,两边拱拱肋各 2组。钢桁拱肋间为桁架式横撑。

(2)桥面结构:主跨由钢横梁、钢纵梁、钢筋混凝土桥面板组成,为半漂浮式桥面结构体系。主跨部分由吊杆支承钢横梁,其余钢横梁放在三角刚架桥面梁的槽口上,并在钢横梁下翼缘两端设置顺桥向活动球型钢支座释放桥面结构产生的巨大水平力。钢横梁、纵梁组成了桥面格子梁体系,在钢纵、横梁顶面上布置φ22mm圆柱头焊钉与钢筋混凝土桥面板形成结合梁结构。

边跨是指边拱及三角刚架部分。此部分桥面结构由边拱混凝土系杆或三角刚架桥面系梁 +混凝土纵、横梁 +预制桥面板 +后浇层组成。混凝土横、纵梁组成了桥面格子梁体系,预制桥面板支承于纵横梁顶面,浇筑接缝混凝土和桥面后浇层形成整体桥面板。边跨桥面结构的质量根据平衡主拱传给三角刚架竖向反力的原则确定。

边拱系杆采用预应力混凝土结构,承担边跨拱肋传来的水平拉力。

三角刚架系梁为实体矩形截面,两侧斜腿为主跨、边跨拱圈的延续,斜腿为钢筋混凝土结构。

(3)主跨系杆采用 199φ7mm平行钢丝索,在桥面系上对应每个拱肋布置 8束系杆,全桥共 8×2=16根。系杆两端锚固于三角刚架处主拱拱肋上弦杆外侧。

新光大桥三角刚构的两侧斜腿为拱肋的延续,并同桥面系梁固结,形成稳定的三角刚构结构。在两侧三角刚构顶面处主拱钢拱肋间对拉柔性系杆平衡主拱产生的水平推力,边拱的桥面系与拱肋固接,通过在边墩顶设置纵向滑动支座,释放边拱的水平推力。所以新光大桥也可以看作是固结在三角刚构上的 3跨下承式拱桥。

上述 3座桥梁结构体系其实不尽相同,其中丫髻沙大桥主桥是标准飞燕式 3跨拱桥,其桥面系在全桥范围内均为半漂浮,整个结构受力体系最为明确;卢浦大桥、新光大桥两桥的受力体系有些类似,都是刚构、拱桥的组合体系,其中卢浦大桥的三角刚架斜腿和系梁均为钢结构而新光大桥则为混凝土结构,所以新光大桥的三角刚架抗推刚度要远大于卢浦大桥,相应的主跨钢拱肋的计算跨度也减小了。

通过对以上 3座近年来建设的大跨度 3跨中承式自锚式柔性系杆拱桥的介绍,初步了解了此类型桥梁的主要结构形式。

3 关键技术设计

3.1 确定结构受力体系

此类型桥梁关键是结合边拱的跨度需要而确定不同的结构受力体系。

当边跨跨度较小时,可设计成为类似丫髻沙大桥、卢浦大桥的“飞燕式”结构体系。边拱拱肋为上承式,并在两侧边拱桥面位置的拱肋端部设置对拉水平系杆,系杆的水平拉力通过边拱拱肋传至拱座处来平衡主拱拱肋产生的水平力,形成自平衡体系。

当边跨由于桥下通行净空的需要跨度较大时,可设计成新光大桥的“3跨连续刚构拱桥”结构体系。此种结构体系的三角刚构的刚度要足够大,以保证将上部拱肋和桥面系结构的竖向荷载传至拱座基础上。通过对新光大桥进行计算分析,当主拱的系杆锚固在三角刚构边拱侧斜腿顶面时,三角刚构系梁的预应力效应可达到 90%,系杆水平力的传力途径为沿三角刚构的水平系梁至主拱钢拱肋,而不会沿斜腿传至拱座处,所以主拱系杆锚固在主拱钢拱肋桥面位置处同锚固在三角刚构边跨侧斜腿端部的传力效果是一样的,从而简化了结构设计。

3.2 系杆体系的选取

系杆是自锚式拱桥的生命线,其安全性能决定了大桥的安全。目前柔性系杆的材料主要有平行钢丝束和平行钢绞线两种,其中平行钢绞线还根据张拉墩位和索长的大小分工厂整束挤压索和索体整束、现场锚固的两种类型。

平行钢丝束拉索体系和整束挤压的钢绞线索体由于完全是工厂化加工,只要在施工过程中注意保护索体不受损坏,其耐久性有保证。由于系杆在出厂时其长度已经固定,而靠锚头所能调节的长度范围有限,故一定要准确计算其理论长度和伸长量。另外由于系杆锚头的尺寸较索体大很多,故施工中拖拉系杆的施工难度比较大。其中平行钢绞线系杆在外层护套内的每根钢绞线外侧还有一道防护套,所以理论上要比钢丝束的索体耐久性更好。

当单根系杆的长度和张拉墩位较大时,一般采用索体工厂整体加工,现场进行张拉锚固的钢绞线拉索体系,拖拉系杆时没有锚头的干扰,施工难度也比较小。但是由于在系杆张拉前要剥掉伸入锚固套筒内钢绞线的 PE保护层,故其伸长量的计算要准确无误。另外其锚固体系要通过现场施工形成,其结构的耐久性能还取决于现场施工质量。

3.3 桥面系的结构形式

由于主跨结构自重决定了需平衡的水平力的大小,故为了能够增加跨度和减小基础规模,主跨的桥面结构形式一般设计为钢—混组合体系或钢结构。钢—混组合体系一般主要是指目前采用较多的钢横、纵梁加混凝土桥面板的结构形式,这种桥面结构的优点是桥面系的杆件都较小,可分成钢横梁、钢纵梁、桥面板分别吊装,并可多个工作面同时作业,施工难度较小,最大吊装质量 30 t(钢横梁)。由于采用了结合梁的受力体系,其自重比混凝土桥面系降低很多。另外由于钢横、纵梁连接可大量采用栓接,施工速度比较快。缺点是由于要现场浇筑桥面板在钢横、纵梁处的湿接缝,其施工质量直接影响桥面系的结构耐久性和使用安全。

钢结构桥面可考虑整体钢箱或横、纵格子梁体系,桥面板为正交异性板。如果采用整体钢箱,安装时吊装质量要重些,如采用正交异性钢桥面板结构则可以将桥面结构横、纵向分块,吊装后连接。目前桥面系钢结构的工地连接大多采用工地焊接,施工精度比较容易满足,另外注意桥面板处的节段间连接如采用高强度螺栓连接也会影响后期铺装层的施工,所以一般尽量避免此部位采用栓接。

3.4 拱肋的结构形式

丫髻沙大桥的拱肋为 6管式钢管混凝土,目前大多数的此类型桥梁采用是 4管式钢管混凝土。采用钢管混凝土拱肋的此种柔性系杆拱桥已经很难在跨度上有大的突破了,这主要是因为采用钢管混凝土结构拱肋的自重同比钢结构要大很多,相应的由恒载产生的拱座的水平反力会增大,为此要张拉更多的桥面水平系杆来平衡基础的不平衡反力;另外,在灌注钢管内混凝土时,由于此时拱肋的受力模型为钢管桁架体系,而灌注的混凝土为荷载,当跨度较大时,拱肋结构施工状态时的稳定会成为控制关键点。

钢结构拱肋又有钢桁结构和整体钢箱结构两种,两者各有优缺点,钢桁结构可以节省部分钢材,特别是当活载所占全桥荷载比例较大时,可以充分发挥桁架结构抗弯性能好的优点。桁架拱由于杆件节段质量小,吊装容易,相应方便了现场的安装,但是其节点较多,连接和加工复杂,精度控制要求较高。钢箱结构节段质量大,安装难度也大,对安装设备要求高,但是安装精度要求比桁架低,工地施工时目前多采用全截面焊接。由于受力需要,整体钢箱结构的拱肋宽度较大,浪费了较多的桥面空间,这也是设计中不得不考虑的细节。

表1为上述 3座大桥恒载对比表,从中可以发现由于拱肋和桥面系采用了不同的结构形式对恒载的影响。

表1 主跨拱肋和桥面系(不包括二期恒载)质量t/m

4 应用前景

3跨连续中承自锚式柔性系杆拱桥由于可以有效的平衡上部结构传来的水平推力而在近年来得到广泛应用。在“飞燕式”拱桥的基础上又演变出新光大桥这种“3跨连续刚构拱桥”,通过三角刚构与系杆拱桥的组合可以有效地提高了全桥的整体刚度。目前此种类型的拱桥还是主要应用在公路和市政桥梁上。

由于铁路桥梁对桥面结构的刚度要求很高,所以这种半漂浮式桥面结构无法满足铁路桥梁的刚度要求。解决这个问题可通过在施工阶段张拉柔性系杆来平衡恒载对基础产生的不平衡水平推力,在成桥状态可将桥面系与拱肋固结,从而形成施工阶段为柔性系杆而成桥状态为刚性系杆的受力模式,通过这样体系的转换来满足铁路桥梁对结构刚度的要求(图6)。

由于铁路桥梁的桥面宽度较小,通过桥面系和主墩基础的刚度比值可释放掉部分桥面系由于温度产生的水平推力,而活载产生的水平力则由桥面系和基础共同分担。所以经过一些构造上的调整,此类型桥梁在铁路上也同样有应用前景。笔者曾结合实际工程对此种拱桥结构进行了计算分析,结果表明此种结构完全能够满足铁路桥梁的动、静力荷载受力需要。