文章闡述了龍州縣水口鎮(zhèn)共宜大橋的主梁設(shè)計(jì)方案，該方案為中型中承式鋼管混凝土拱橋，采用鋼縱梁與預(yù)應(yīng)力混凝凝土橫梁組成格子梁體系，并采用數(shù)值分析模型分析了該格子梁體系的合理性。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)相比于拱橋傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁懸吊式橋面體系，結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，行車(chē)舒適性更好；相較于鋼結(jié)構(gòu)格子梁體系，兼顧了其預(yù)制裝配式優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，造價(jià)更低，更適用于在山區(qū)施工場(chǎng)地受限、地質(zhì)條件良好的中小跨徑拱橋。該研究可為未來(lái)山區(qū)中小跨徑拱橋設(shè)計(jì)及舊橋危改加固提供參考。

中小跨徑中承式拱橋；鋼縱梁；格子梁體系；懸吊式橋面系

U443.32A451433

作者簡(jiǎn)介：

毛立敏（1983—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)工作。

0" 引言

鋼管混凝土拱橋是一種受力簡(jiǎn)單的橋型，具有跨越能力大、承載能力強(qiáng)、延性好、造價(jià)低、施工迅速、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)問(wèn)世便受到了國(guó)內(nèi)外橋梁工程師的青睞［1］。

對(duì)于中承式或下承式鋼管混凝土拱橋橋面系的設(shè)計(jì)，目前我國(guó)主要有兩類(lèi)，第一類(lèi)是早期的懸吊式體系，由吊桿吊住混凝土橫梁，橋面板支撐在橫梁上，橫梁之間無(wú)縱梁聯(lián)系。該體系具有結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單、造價(jià)低、后期維護(hù)工作量少的優(yōu)點(diǎn)，但以橫梁受力為主，無(wú)加勁縱梁，整體性能低劣［2］。在大跨徑拱橋中容易發(fā)生局部坍塌事故，如發(fā)生垮塌的宜賓小江南門(mén)大橋、新疆庫(kù)爾勒孔雀河大橋、福建武夷山公館大橋等，均采用該類(lèi)橋面系，因局部吊桿斷裂，橫梁下墜進(jìn)而引起橋面垮塌。另外該體系結(jié)構(gòu)豎彎頻率低，車(chē)輛在行駛過(guò)橋時(shí)橋面震動(dòng)嚴(yán)重，行車(chē)舒適性差。

第二類(lèi)是橫梁與縱梁互相固結(jié)成整體，形成格子梁體系，這類(lèi)橋面系縱橫梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)組成格子梁，混凝土橋面板采用預(yù)制或現(xiàn)澆，與格子梁澆筑成整體，形成鋼-混組合的橋面系，該橋面系更加輕盈，能較好地應(yīng)對(duì)因局部吊桿斷裂而橋面系垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，但其造價(jià)相對(duì)較高，鋼材用量大，后期鋼結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用高，主要應(yīng)用于大跨徑拱橋橋面系，如平南三橋、合江一橋等。

本文在充分借鑒前述兩種橋面系優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了介于前兩種橋面系之間的混合型格子梁橋面系，橫梁采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)增設(shè)兩道鋼縱梁，混凝土橫梁與鋼縱梁固結(jié)，鋼縱梁頂面設(shè)置剪力釘，預(yù)制橋面板設(shè)置濕接頭與混凝土橫梁、鋼縱梁整體澆筑在一起。該橋面系具有整體性好、重量輕、預(yù)制安裝方便、造價(jià)低、后期維護(hù)工作量少的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小跨度中承式或下承式鋼管混凝土拱橋。

本文從龍州縣水口鎮(zhèn)共宜大橋工程實(shí)例出發(fā)，結(jié)合其橋面系體系的數(shù)值模型分析，闡述上述第三類(lèi)橋面系在中小跨徑中承式拱橋設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用中的合理性、合規(guī)性、安全性，為后續(xù)同類(lèi)橋梁的建設(shè)及橋梁加固提供參考。

1" 建設(shè)方案

1.1" 項(xiàng)目概況

共宜大橋位于廣西崇左市龍州縣水口鎮(zhèn)水口新圩的東南面，跨越水口河，終于水口鎮(zhèn)上灶屯西面。

在該項(xiàng)目建設(shè)前，水口新舊街之間的唯一交通橋梁是建于1978年5月的S325線水口橋。該橋荷載等級(jí)低，通行能力不足，橋梁引道沿線大部分路段已經(jīng)街道化，過(guò)境交通與城市交通互相干擾直接造成交通秩序混亂、擁擠，行車(chē)速度降低，不利于過(guò)境交通的快速疏導(dǎo)和城鎮(zhèn)綜合治理，存在較大的安全隱患。未來(lái)隨著龍州縣水口鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，水口鎮(zhèn)區(qū)居住人口和機(jī)動(dòng)車(chē)輛以及居民出行將急劇增長(zhǎng)，這種情形會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

本項(xiàng)目建成后，大幅改善了龍州縣水口鎮(zhèn)至布局、那花及下凍鎮(zhèn)方向的公路橋梁狀況，降低了水口鎮(zhèn)過(guò)境交通的運(yùn)輸成本，有利于加強(qiáng)龍州縣水口鎮(zhèn)與水口以南沿邊各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、邊貿(mào)互市點(diǎn)間的南北向交通聯(lián)系。

1.2" 橋型方案

橋梁跨徑組合為［5.77（北橋臺(tái)）+111.46（主橋）+5.77（南橋臺(tái)）］，全長(zhǎng)123 m。主橋上構(gòu)為單孔L0=99 m中承式啞鈴形鋼管混凝土拱。中承式鋼管混凝土拱拱軸軸線為：m＝1.347，凈跨徑為99 m，凈矢高為24.75 m；啞鈴高2.2 m；主拱肋內(nèi)腔灌注C50混凝土，吊桿間距為5 m。主拱肋采用分段預(yù)制，纜索吊裝、斜拉扣掛工藝施工。

橋面系采用鋼縱梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橫梁組合體系，由鋼縱梁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橫梁、橋面板組成。主橫梁順橋向設(shè)置與吊桿、拱上立柱及交界墩相對(duì)應(yīng)，間距分別為5 m、6 m，矩型截面，端部梁高1.0 m，跨中梁高1.12 m；縱梁共設(shè)2道，工字形截面，縱梁底板厚20 mm，頂板厚20 mm；橋面板由預(yù)制鋼筋混凝土π型梁和整體化混凝土組成。首先將預(yù)制π型梁按簡(jiǎn)支狀態(tài)架設(shè)在橫梁上，然后現(xiàn)澆橫梁頂及π型梁間橫向接縫整體化混凝土，將全孔預(yù)制π型梁與橫梁、縱梁聯(lián)結(jié)為一體。主橋橋型布置圖如圖1所示。

龍州縣水口鎮(zhèn)共宜大橋工程橋面系設(shè)計(jì)方案研究/毛立敏，夏梁鐘

1.3" 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：二級(jí)公路；

（2）設(shè)計(jì)速度：40 km/h；

（3）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年；

（4）橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車(chē)荷載采用公路Ⅰ級(jí)；人群荷載標(biāo)準(zhǔn)：按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）取值；

（5）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100，橋位處SW（1/100）=144.33 m；

（6）航道等級(jí)：規(guī)劃Ⅴ級(jí)，通航凈寬40 m，凈高8 m。

2" 橋面系有限元計(jì)算

2.1" 橋面系整體計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目情況，共宜大橋主橋橫梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土，鋼縱梁采用Q345q鋼板，以此為依據(jù)在Midas/Civil 2013軟件中建立空間桿系模型，吊桿采用空間桁架單元，橋面系的混凝土橫梁、鋼縱梁采用梁?jiǎn)卧?，混凝土橫梁、鋼縱梁采用施工階段聯(lián)合截面模擬分階段變化的截面剛度與受力狀態(tài)。全橋共計(jì)1 433個(gè)節(jié)點(diǎn)，32個(gè)桁架單元，1 702個(gè)梁?jiǎn)卧Ｖ鳂驑蛎嫦涤邢拊Ｐ鸵?jiàn)圖2。

本橋橋面系為第三類(lèi)橋面系，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要關(guān)注預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁及鋼縱梁的正常使用極限狀態(tài)。持久狀況下正常使用極限狀態(tài)主橫梁應(yīng)力如圖3～4所示（壓負(fù)拉正）。

由圖3～4可見(jiàn)，正常使用極限狀態(tài)下，橫梁應(yīng)力無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，且壓應(yīng)力滿(mǎn)足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）的要求。

持久狀況下正常使用極限狀態(tài)鋼縱梁應(yīng)力如圖5～6所示（壓負(fù)拉正）。

由圖5～6可見(jiàn)，正常使用極限狀態(tài)下，鋼縱梁上緣應(yīng)力為-32.4～-15.2 MPa；鋼縱梁下緣應(yīng)力為-67.7～21.9 MPa。應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

2.2" 斷吊桿狀況計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)行《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06-2015）中第8.7.2的要求：“中、下承式鋼管混凝土拱橋的橋面梁（板）必須采用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，連續(xù)結(jié)構(gòu)體系的主縱梁應(yīng)滿(mǎn)足2倍吊索跨度的承載能力要求?！北緲驑蛎嫦禎M(mǎn)足連續(xù)結(jié)構(gòu)體系的要求，需進(jìn)行成橋荷載作用下，主縱梁應(yīng)滿(mǎn)足2倍吊索跨度承載能力的驗(yàn)算。中、下承式拱橋在運(yùn)營(yíng)階段，最不利的吊桿為長(zhǎng)度最短的吊桿。綜上所述，即需要在假定斷一對(duì)短吊桿的情況下，對(duì)橋面系的鋼縱梁及預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

2.2.1" 橫梁斷吊桿狀況計(jì)算

斷一對(duì)短吊桿的情況下，在恒載下，各橫梁的應(yīng)力如圖7～8所示。

由圖7～8可知，斷一對(duì)短吊桿情況下，在恒載作用下，各橫梁預(yù)制部分基本處于全截受壓狀態(tài)，應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

斷一對(duì)短吊桿情況下，正常使用狀態(tài)組合下，各橫梁的應(yīng)力如圖9～10所示。

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)斷一對(duì)短吊桿，在正常使用極限狀態(tài)組合下，肋間橫梁下緣的應(yīng)力為1.0 MPa（拉應(yīng)力），靠近斷吊桿的吊桿橫梁下緣的應(yīng)力為1.0 MPa（拉應(yīng)力），其他橫梁下緣都處于受壓狀態(tài)。由圖10可見(jiàn)，斷一對(duì)吊桿對(duì)應(yīng)的橫梁，其上緣應(yīng)力為0.8 MPa（拉應(yīng)力）。

2.2.2" 縱梁斷吊桿狀況計(jì)算

在斷一對(duì)短吊桿短暫狀況情況下，鋼縱梁應(yīng)力如圖11～12所示。

由圖11～12可見(jiàn)，在斷吊桿情況下，鋼縱梁上緣應(yīng)力為-37.3～-7.3 MPa；鋼縱梁下緣應(yīng)力為-94.2～100.4 MPa；應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文論述了中承式或下承式鋼管混凝土拱橋常用的兩種橋面系結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了混合型格子梁橋面系，對(duì)比三種橋面系的優(yōu)缺點(diǎn)，并以實(shí)際工程——龍州縣水口鎮(zhèn)共宜大橋工程為例，采用有限元軟件建模分析的方式，論證了以混合型格子梁體系在小跨徑鋼管混凝土拱橋的可行性。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，在成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，該體系的安全性可靠性滿(mǎn)足規(guī)范的要求，并且驗(yàn)證了在斷吊桿工況下，該格子梁體系的橫梁及縱梁均能滿(mǎn)足現(xiàn)行《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06-2015）中第8.7.2條的要求，可為后續(xù)山區(qū)中小跨徑拱橋設(shè)計(jì)提供參考。

［1］楊福明.鋼管混凝土拱橋鋼縱梁加固橋面系關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2021.

［2］郝朝偉，王明法，張悅杉，等.以橫梁受力為主的大跨拱橋橋面系加固大縱梁截面形式研究［J］.世界橋梁，2021，49（6）：103-109.

［3］余印根.中、下承式拱橋懸吊橋面系強(qiáng)健性研究［D］.福州：福州大學(xué)，2015.

20240307