某上承式钢管混凝土拱桥方案设计

某上承式钢管混凝土拱桥方案设计

张明1 张伟2

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津市 300191 2. 天津市政工程设计研究总院有限公司，天津市，300191）

摘要：本文依托一座跨温瑞塘河上承式景观拱桥，创新性的采用钢筋混凝土沉井基础配合钻孔灌注桩基础的方案，大大节省了工程造价，为将来同类桥梁的设计和施工提供依据。

关键词：上承式拱桥；拱脚；沉井基础 

1、引言

随着社会经济的不断发展，大跨径城市景观桥梁不断涌现，桥梁作为城市发展的重要一环，人们对其需求已不单单是单纯的通行功能，而是对于结构纤薄、造型别致优美提出了更高的要求。本文结合一座上承式钢管混凝土拱桥的方案设计，通过计算分析，对原初步设计桩基础进行优化，在不降低安全度的前提下，减小了该桥梁的基础体量，节省了工程造价。

2、工程概况

桥型为上承式钢管混凝土拱桥，采用一跨直接跨越整个塘河，跨径46m。其上部结构主要由钢管混凝土拱及桥面系组合而成，外观轻盈通透，简洁美观。钢管拱为主要受力构件，其所有杆件均以承受轴力为主，可充分发挥截面的材料强度，最大限度减小截面尺寸，提升桥梁大跨轻盈的视觉冲击。外侧边拱圈向外悬挑，满足人行构造要求，方便行人在两侧河岸间步行穿梭，同时也为河道观景提供更多空间与视角。

主拱圈采用单跨46m，矢跨比约1/8.6，拱肋采用直径70cm钢管混凝土，横向布置7根，其上设置钢结构立柱，钢混叠合梁桥面，横向布置双向6车道加人行道和游步道。桥梁布置如图1所示。

                          图1桥型布置图

3、桥梁结构设计

双龙路跨温瑞堂河主桥为上承式钢管混凝土拱桥，采用一跨直接跨越整个温瑞塘河。其上部结构主要由钢管混凝土主拱肋及桥面系组成。全桥一共7根主拱肋，钢管直径为700mm，壁厚14mm,内灌C50无收缩混凝土，跨径46m，矢高为4.325m。桥面系由拱上立柱、拱间联系梁、桥面纵梁、桥面横梁、正交异性桥面板构成。其中拱上立柱采用直径400mm，壁厚14mm钢管，柱底50cm范围灌注混凝土；拱间联系梁为直径400mm，壁厚14mm钢管；桥面纵梁及横梁采用焊接工字钢梁组成；桥面底钢板厚8mm，混凝土板15cm。

主桥基础采用钢筋混凝土沉井基础配合钻孔灌注桩基础。两侧沉井之间施加系杆平衡主拱横载水平推力，柱基础承担活载水平推力及竖向荷载。

4、整体计算模型

采用Midas/Civil 2017 对温瑞塘河桥建立空间有限元模型，根据设计图纸中的结构布置、结构尺寸和施工程序将全桥结构离散为560个节点，920个单元，其中梁单元824个，板单元96个。其计算模型如图2所示

图2  有限元计算模型 

边界条件按照支座布置示意图中的支座类型布置,以顺桥向为x方向，横桥向为y方向，竖向为z方向。拱桥部位约束全部固结，桥面纵梁连接墩位置采用简支约束。

5、桥梁上部承载能力极限状态计算

（3）钢管混凝土轴心受压构件的承载力验算：

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图3拱顶最大弯矩设计值（最大）(单位：KN.M)        图4 拱脚最大弯矩设计值（最大）(单位：KN.M)

拱肋最大弯矩为823.81KN.M,与之对应的轴力为3650KN。

图5 钢管最大初应力 (单位:N/mm)       图6 承载能力极限组合下拱肋应力包络图(单位：MPa)

在承载能力极限组合下，拱肋最大压应力值为227MPa，钢管强度设计值为310MPa，满足要求。

6、桥梁下部结构设计

由于桥头两侧现状存在道观及教堂，如按原方案采取群桩基础加承台方案，需做深基坑开挖，不可避免的对教堂及道观产生影响，同时原方案基桩过多，不经济。

本次方案主桥基础拟采用钢筋混凝土沉井基础配合钻孔灌注桩基础。两侧沉井之间施加预应力钢绞线系杆平衡主拱推力及弯矩，桩基础仅承担竖向荷载。桩基直径1.5m，桩长60m，18根，沉井尺寸为30.3mx12mx10m，壁厚65cm，内设7道隔墙。采用沉井基础可以避免基坑开挖给道观及教堂带来的风险，同时该方案采用系杆平衡了恒载推力，大大的减少了桩基数量。虽然增加了沉井基础的工程量，但从整体上考虑仍然节省了工程造价。

主桥下部基础的具体做法：

1、按照桩位坐标施做钻孔灌注桩；

2、在拱脚位置分节段预制沉井（应提前在侧墙及内墙预埋穿墙波纹管），内设7道0.65m隔墙，开挖沉井内土体，沉井下沉；

3、沉井下沉到位后，施做沉井封底；凿除桩头，桩顶钢筋伸入沉井底板，与底板钢筋绑扎成整体，浇筑底板混凝土；

4、在桥梁上下游各10m处，修筑土袋坝围堰，做好调水方案，抽干围堰内河水；

5、在系杆位置开挖到系杆高程，穿好预应力钢绞线系杆，在钢绞线外浇筑保护梁；

6、绑扎沉井顶板钢筋，安装拱肋锚固加劲梁、安装预应力系杆锚固装置，预埋交接墩钢筋，浇筑沉井顶板。

7、系杆随着拱肋、拱上建筑以及交接墩的逐步实施，分步张拉，逐步张拉到设计值，锚固完成；

8、完成所有桥面系，主桥施工完成

                            图7 沉井基础布置图

7.结论

主桥初步设计方案为钢管混凝土上承式拱桥，大体积承台，群桩基础。此设计方案存在如下问题：

（1）群桩基础体积庞大，每侧承台基础下设56根桩基，承台尺寸为27*27m，紧邻基督教堂。而且承台侵入河道范围。因而，基础及承台体量大，施工及造价均较高。

（2）承台基础埋深大，承台施工的基坑支护深度7.5m，如果采用基坑支护，支护桩长度需要26m，而且结合周围地质，必须采用灌注桩支护，对周边严密监控，措施费用高。

（3）承台距离教堂距离很近，深基坑支护对周边影响太大。

综合以上分析进行以下优化：

（1）群桩基础修改为沉井基础，沉井四周采用拉森桩支护，对教堂侧及道观侧采用灌注桩近一步支护处理。

（2）沉井之间设置拉索，拉索设置在600mm的钢管内，钢管采用顶管工艺施工。

优化后不仅缩小了基础尺寸，同时能最大限度降低由于桥梁施工对于基督教堂以及道观建筑的影响，同时沉井基础不占压河道，不影响通航净宽。

参考文献：

[1] 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，1999

[2] 顾安邦,孙国柱.公路桥涵设计手册—拱桥[M].北京：人民交通出版社，2000

[3] 戴显荣. 南浦溪特大桥主桥设计及受力分析. 桥梁建设[J]. 2023 ,53 (05)

[4] 黄文金，彭桂瀚，陈宝春，许春荣，郭慧乾，谭中法，林昱. 超大跨径上承式钢管混凝土拱桥的设计与创新[J]. 公路，2023 ,68 (10)

[5] 陈冠桦，杜镔，丁作常，贾宁.某桁式组合拱桥新拱脚节点局部应力分析[J].桥梁建设，2009（6）：35-38

作者简介：张明，男，1985年出生，辽宁人，高级工程师，天津市政工程设计研究总院有限公司，从事桥梁设计。