下承式系杆拱桥

浅谈下承式系杆拱桥的设计

摘 要 下承式系杆拱是一种无推力的拱式组合体系,是外部静定结构,兼有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点,当桥面高程受到限制而桥下又要求保证较大的净空(桥下净跨和净高)时,无推力的拱式组合体系桥梁是较优越的桥型。从设计方案选择、结构设计与施工等方面对沧黄高速跨线大桥进行了介绍。

1 概况

沧黄高速跨线桥位于沧宁公路沧县段捷地乡大贾庄村北,中心桩号K1 + 414. 049,上跨沧黄高速公路。交叉处沧黄高速公路平面位于半径R = 7000m的左偏平曲线上, 中心桩号CHK12 + 420。交角90°,设计标高16. 189m,该桥上部结构为1 - 20m预应力箱梁+ 1 - 50m下承式系杆拱+ 1 - 20m预应力箱梁;下部结构采用柱式桥墩、肋板式桥台,墩台下接承台,基础均为钻孔灌注桩群桩基础; 桥梁净宽11. 5m;汽车荷载等级为公路- Ⅱ级标准。该桥桥型布置如图1所示。

2 方案比选

在桥梁建设中,桥梁方案的确定是非常重要的,尤其大跨径桥梁更是如此。在初步设计阶段我们拟定了两个方案:

方案一: 1 - 20m预应力箱梁+ 1 - 50m下承式系杆拱+ 1 - 20m预应力箱梁,桥梁总长90m,概算总造价为644. 8 万元(含引道) ,其中跨线桥造价303. 9万元。本方案的的优点是: ①一跨上跨沧黄高速,桥下净空大,视野开阔,为将来沧黄高速改建留有较大余地; ②建筑高度小,填土高度低,总造价低; ③桥型美观,与周围环境相协调,建成后将成为沧黄高速的一个亮点。但本方案施工工艺较复杂,

对施工技术要求较高。

方案二:采用4 - 25m预应力连续箱梁,桥梁总长100m,概算总造价为658. 6万元(含引道) ,其中跨线桥造价为310. 9万元。本方案的优点是:结构简单,设计施工技术成熟,施工质量较易控制。缺点主要是:建筑高度较高,填土高度高,总造价高。经综合考虑,我们推荐方案一。即按1 - 20m预应力箱梁+ 1 - 50m下承式系杆拱+ 1 - 20m预应力箱梁进行施工图设计。

3 结构设计要点

3. 1上部结构

下承式系杆拱部分为梁拱组合刚性系杆刚性拱结构,系杆和拱肋共同承担轴力和弯矩,内力计算比较接近真实状况。系杆和拱肋端部是刚性连接的,体系为外部静定而内部超静定结构,超静定次数为3 + n ( n为吊杆根数) 。主跨计算跨径48m,矢跨比1 /5。拱肋为工字形普通钢筋混凝土结构,系杆、中横梁为预应力混凝土结构,端横梁为普通钢筋混凝土结构,横梁与系杆固结,吊杆采用预应力高强钢丝模拟成单向受拉杆,两拱肋间设三道预应力混凝土横撑。两边跨箱梁部分为单箱室小箱梁预应力混凝土简支结构。根据各施工阶段和使用阶段的受力体系按平面杆系对构件进行有限元分析,采用容许应力法进行计算。内力计算采用平面杆系有限元计算程序———交通部公路科学研究所《公路桥梁结构设计系统GQJS》及中交公路规划设计院《桥梁设计综合计算程序BriCAS》

进行计算。

3. 2 下部结构

从桥位地质勘察报告所揭示的地层看,土层主要为第四系全新统陆相冲积(Q4a l ) 、陆相冲积与沼泽相沉积(Q4h + al )及更新统陆相冲积(Q3

al )形成的粉土、粉质粘土及粘土层,场地地层分布稳定,无不良地质现象,属均匀地基。由于路线上跨沧黄高速公路,桥台填土较高,故下部结构采用肋板式桥台、柱式桥墩,墩台下接承台,基础均为钻孔灌注桩群桩基础,桩柱入土深度及配筋采用m法计算。

3. 3 桥面标高

本桥纵断面位于半径R = 6500m的竖曲线上,纵坡坡度2. 8342%。横桥向设置1. 5%双向横坡。主跨系杆拱部分桥面横坡及纵坡均在结构(系杆、横梁)中调整,梁底水平,桥面板及桥面铺装等厚;箱梁部分桥面横坡及纵坡由箱梁结构和盖梁顶面调整,竖曲线在防水混凝土铺装层调整,沥青混凝土桥面铺装层等厚。

4 施工要点

由于刚性系杆刚性拱的刚度大,拱肋和系杆均能承受轴力和弯矩,在施工中既可以采用满堂脚手架,又可以整体拼装和整体拖拉(顶推)就位,选择施工方案的余地较大,施工时的吊装和稳定性也易保证。根据本桥的实际情况,本桥设计中采用满堂支架现浇施工方法。

4. 1 上部施工顺序应严格按照设计规定执行下承式系杆拱部分施工顺序为: ①预制行车道

板、横撑(待混凝土强度达设计强度90%后张拉预应力钢束) ; ②安装中横梁支架、端横梁支座、系杆支架、拱肋支座,浇筑系杆与拱肋节点混凝土; ③浇筑中横梁、系杆、端横梁; ④中横梁混凝土强度达设计强度90%后张拉N2钢束,混凝土强度达设计强度100%时拆除中横梁支架; ⑤系杆混凝土强度达设计强度90%后张拉N1、N2 钢束; ⑥安装行车道板; ⑦张拉中横梁N3钢束; ⑧安装拱肋支架、吊装横撑(混凝土强度达设计强度100% ) 、设置横撑临时支架; ⑨浇筑拱肋及横撑湿接头; •lu安装吊杆,拱肋及横撑湿接头混凝土强度达设计强度100%后拆除拱肋支架及横撑临时支架,拆除顺序由中间向两端对称、均匀进行; •lv张拉吊杆预应力钢束; •lw待两边孔箱梁吊装就位后拆除系杆支架,拆除顺序由中间向两端对称、均匀进行; •lx浇注桥面铺装、防撞护栏、安装防落物网、伸缩缝; •ly张拉中横梁最后一批钢束N1; •lz吊杆、拱肋、横撑防腐、装饰涂彩。

箱梁部分为预制预应力混凝土简支结构,横向以桥面板湿接头。注意拱桥系杆支架拆除时箱梁应吊装就位,以使桥墩在恒载作用下基本不产生弯矩。

4. 2 拱桥中横梁预应力束张拉

中横梁预应力钢束分三批张拉,中横梁混凝土强度达设计强度90%后张拉N2钢束,安装行车道板后张拉N3钢束,浇筑桥面铺装后张拉N1钢束。

张拉顺序应自中间横梁向两侧依次对称进行,每个中横梁张拉时应两平行束对称、两端张拉。张拉工序为: 0→初应力→σk (持荷2min锚固) ,钢束张拉后应在24h内灌浆,水泥浆标号应不低于结构混凝土强度,为使灌浆饱满,应加入适量铝粉。

4. 3 系杆、横撑预应力束张拉

系杆、横撑预应力钢束应在系杆、横撑混凝土强度达设计强度90%后张拉,要求上下对称张

拉、两端对称张拉。张拉工序为: 0 →初应力→σk (持荷2min锚固) ,钢束张拉后应在24h内灌浆,水泥浆标号应不低于结构混凝土强度,为使灌浆饱满,应加入适量铝粉。

4. 4 吊杆预应力束张拉

吊杆钢束分两批、两个循环张拉,要求从中间开始向两端对称张拉。张拉控制力为80kN。

箱梁及下部结构施工工艺成熟,施工质量较易控制,不再赘述。