鋼管混凝土拱橋設計研究的論文
鋼管混凝土拱橋設計研究的論文
摘要：介紹了上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-蘇州河橋（25m+64m+25m）的三跨中承式鋼管混凝土梁-拱組合體系橋的設計特點，施工階段劃分及結構分析過程和施工難點處理措施。
關鍵詞：鋼管混凝土結構;拱橋；設計與施工；徐變控制;
1概述
蘇州河橋位於上海城市軌道交通明珠線跨越既有滬杭鐵路蘇州河橋橋位，與蘇州河正交。橋樑需跨越蘇州河及兩岸的萬航渡路和光復西路。河道通航標準為通航水位3.5m，Ⅵ級航道，淨寬20m，淨高>=4.5m；兩岸濱河路規劃全寬20m（機非混行），其中機動車道寬8m；兩側非機動車道寬各3m；人行步道寬各3m；兩岸濱河路機動車道淨高>=4.50m，非機動車道淨高>=3.50m，人行道淨高>=2.5m。橋式採用25+64+25m三跨中承式鋼管混凝土梁-拱組合體系橋，橋樑全長114m，寬12.5m。外部結構體系為連續梁，即拱腳與橋墩處以支座連線，內部為由主縱梁、小縱梁和橫樑及鋼管混凝土拱肋的組合結構體系。
2鋼管混凝土拱橋設計
2.1橋型選擇
本方案設計的主導思想是在現有橋樑結構的技術水平發展的基礎上有所創新，橋樑造型與周圍環境相協調，橋式方案力求新穎獨特，並充分體現現代化大都市的節奏與氣派。
拱橋是一種造型優美的橋型，它的主要特點是能充分發揮材料的受壓效能，而鋼管混凝土的特點是在鋼管內填充混凝土，由於鋼管的套箍作用，使混凝土處於三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。同時鋼管兼有縱向主筋和橫向套箍的作用，同時可作為施工模板，方便混凝土澆築，施工過程中，鋼管可作為勁性承重骨架，其焊接工作簡單，吊裝重量輕，從而能簡化施工工藝，縮短施工工期。
蘇州河橋的橋型方案經過研究分析、結構最佳化及評估論證，最後採用25+64+25m飛鳥式鋼管拱橋的設計方案。以抗壓能力高的鋼管混凝土作為主拱肋，以抗拉能力強的高強鋼絞線作為系杆，透過邊拱肋的重量，隨著施工載入順序逐號張拉系梁中的預應力筋以平衡主拱所產生的水平推力，最終在拱座基礎中僅有很小的水平推力。拱腳與橋墩的連線由固接改為鉸接，以避免由於軌道交通無縫線路產生的縱向水平力和溫度應力引起拱腳過大的推力而導致拱腳處混凝土開裂，克服了拱橋對基礎的苛刻要求。
全橋總佈置如圖1：
2.2上部結構
主橋為中承式拱橋，主拱理論軸線為二次拋物線，矢跨比為1:4，其中橋面以下部分採用C50鋼筋混凝土結構，截面為帶圓角的矩形截面。橋面以上部分採用鋼管混凝土結構，鋼管截面為圓端形，採用A3鋼，鋼管壁厚16mm，外塗桔紅色漆，內填C55微膨脹混凝土。
邊拱矢跨比為1:7.4，理論軸線為二次拋物線，截面採用鋼筋混凝土矩形截面，按偏心受壓構件設計。拱上立柱採用圓形截面鋼管混凝土立柱，下端與邊拱肋固結，上端設聚四氟乙烯球冠形鉸支座，與邊縱梁鉸接。
主拱每側設7根吊杆，間距約6.4m，吊杆採用擠包雙護層大節距扭鉸型拉索，吊杆鋼索雙護層均為高密度聚乙烯護層（PE+PE桔紅色），錨具為冷鑄墩頭錨。吊杆上端錨固在鋼管混凝土拱肋內，下端錨固在橫樑底部。
主拱橋面以上部分共設三道一字型風撐，每側邊拱設三道橫撐，主拱設一道橫撐，以增加全橋的穩定性。拱座採用鋼筋混凝土結構，每墩設兩個拱座。透過橫撐相連。拱座施工時應預先埋好立柱鋼管、主拱及邊拱伸入拱座內的鋼筋，準確對位。
橋面係為由邊縱梁、橫樑、小縱梁及現澆橋面板組成。邊縱梁為箱形斷面，邊孔與邊拱肋相接部分及中拱與邊縱梁連線部分為矩形斷面，採用C50級部分預應力混凝土結構，在恆載及自重作用下為全截面受壓構件。橫樑採用C50級預應力混凝土結構，全橋共設小橫樑15片，端橫樑2片，中橫樑與邊縱梁接合處2片。全橋共設四片小縱梁（全橋通長）與橫樑固結在一起形成格構體系。橋面板採用C40級鋼筋混凝土板，橋面板採用在格構繫上現澆的方法處理。橋面板的鋼筋佈置應採取防迷流措施。
橋面排水原則上採用“上水下排”，即橫坡加導水槽方式，在橋樑橫斷面內設0.5%的橫坡。承軌臺每隔一定的距離斷開，向兩側排水。
橋面上部建築設施包括混凝土道床及軌道、通訊訊號電纜支架、隔音屏、防噪柱及接觸網腕臂柱。橋面佈置有：聚氨脂防水層、0.5%雙向排水坡、落水管、承軌臺及鋼軌、I字形鋼筋混凝土柱、防噪屏及電纜支架等。每隔30~50m設接觸網立柱一對，每隔1000m左右佈置一組接觸網錨固立柱。橋上不設人行道及照明。
支座採用QGPZ盆式橡膠支座和QGBZ板式橡膠支座。
2.3下部結構
拱橋主墩基礎採用樁基礎，將⑨層粉細砂層作為樁基持力層，為滿足橋樑上部鋼軌對基礎沉降的要求，經分析計算比較，採用樁徑為D=0.8m的鑽孔灌注樁，樁長67m，每個主墩12根樁，承臺4.8×17.0×2.0m，邊墩基礎採用8根樁徑D=0.8m鑽孔灌注樁，樁長67m,承臺4.35×16×2.0m，邊墩及蓋梁為雙柱式鋼筋混凝土結構。
3結構分析
結構分析採用有限元程式SAP91進行三維空間計算，包括整體分析、穩定分析等，用橋樑專用平面分析程式PRPB和BSACS分別進行了驗算。在計算時橋面以上主拱拱肋除按鋼管混凝土設計外，還用類似於鋼筋混凝土構件的方法進行施工計算，在截面形成階段採用應力疊加法設計。鋼管的套箍係數取0.8。
3.1施工階段計算
本橋施工體系轉換分五個階段進行，施工中中孔利用既有鐵路鋼橋作支架，待新橋建成後拆除既有橋。
第一階段：在支架上現澆兩邊段（立柱、拱、橫樑）及全橋邊縱梁，待混凝土達到強度後每片邊縱梁內張拉兩根預應力束。
第二階段：將工廠內製造的主拱肋鋼管，每側7段，運到工地，在邊縱梁上搭設支架拼裝就位。空鋼管拱肋合攏後即封住主拱、縱梁結合處，再形成鋼管混凝土截面。待主拱內混凝土達到設計強度後即開始張拉吊杆，給吊杆以初始張拉力，後錨固於主拱肋內。現澆中段橫樑，待混凝土達到設計強度的90%後，張拉橫樑預應力筋，澆全橋小縱梁，待混凝土達到設計強度後，張拉小縱梁內的預應力束。在每片邊縱梁兩端施加預應力，張拉兩根預應力束。
第三階段：張拉邊縱梁內T2及B2各一束，鋪裝中孔橋面板後，拆除中拱支架。
第四階段：拆除邊拱支架，澆注全橋橋面板，張拉邊縱梁內三根預應力束。
3.2成橋階段計算
進行以下幾方面的計算:
1.二期恆載按換算均布荷載分擔到橫樑和縱梁上；
2.支座沉降計算；
3.溫度變化計算；
4.活載為輕軌列車荷載，每列最多八節，每節8軸，重車軸重170kN，輕車軸重80kN，雙線荷載；
5.計算承軌臺在成橋後三個月、六個月、一年、三年的徐變變形量。
3.3穩定性分析
在本橋的穩定性方面，設計時考慮兩片主拱之間加設三道一字型風撐，拱肋基礎連成整體。全橋整體穩定分析採用SAP93曲屈穩定分析程式進行計算，彈性穩定係數10-12。
3.4樁基計算
樁基設計從三方面控制：
1.地基承載力控制：Nd=(up?fili+fipAp)/K;
2.樁身強度控制：s?0.2R；
3.沉降控制：滿足軌道變形的要求，控制在2cm。
最終沉降量採用分層總和法計算，將樁基承臺樁群與樁之間土作為實體深基礎，且不考慮沿樁身的壓力擴散角，壓縮層厚度自樁端全斷面算起，至附加壓力等於土的自重壓力的20%處。
沉降計算結果
4施工關鍵問題
4.1與既有鐵路橋關係及處理
蘇州河橋橋位選擇的目的即是利用舊滬杭鐵路上的舊鐵路桁架作為施工架橋的臨時支架，新橋完成後即拆除舊橋。
經調查得知：滬杭鐵路內環線上既有的蘇州河橋，建於1907年，基礎樁採用木樁，上部結構於1994年更換新鋼桁梁，鋼桁梁為一孔跨度44.34m的簡支梁，其全長45.4m，桁高5.5m，採用高強螺栓連線。一孔重量為132.98t（包括東側人行道及上弦檢查走道，人行道1.5m）。該橋為單線橋，設計活載為中活荷載。蘇州河橋其南端接萬航渡路平交道口，鐵路通訊、訊號電纜從橋下穿過，市區電線、高壓線由橋側上空跨過。
因此橋樑設計時應考慮兩個問題，其一，如何使新橋在施工的各個階段施加於支架上的荷載不超過舊有鐵路橋的設計承載力，其二，保證舊橋拆除時不影響新橋的'安全穩定。
設計時，每個施工階段的計算均增加了一項，即驗算舊橋的承載力，對支架拆除順序進行了準確規定。但在施工時，有遇到以下問題：
1．根據現場量測結果，新橋縱軸線偏離老橋軸線（南端82mm，北端73mm），使得老橋偏心受力。
2．由於新橋全寬12.5m，而老橋全寬5.9m。新橋的兩側邊縱梁均位於老橋的外面，故施工支架必須伸出老橋之外，採用I字鋼橫向架設於老橋頂上，以滿足立模的需要和剛度要求。
3．由於老橋桁梁的兩端為斜焊，上面不能架設I字鋼，另外，既有人行道在施工期內又不能封閉，故必須對老橋進行接長處理，以滿足架設I字鋼和橋上支架與岸上滿堂支架連線的需要，老橋接長採取在上弦杆用2根並列的I200mm接出，梁端部和岸上的豎杆均採用300mm的鋼管，在梁的斜杆中間另加一根豎杆，各杆件的連線均採取滿焊的方式，並在縱橫向加設斜拉桿以增加穩定。
4．由於軌頂標高限制，老橋樑頂與新橋邊縱梁底的間距較小，架設施工支架I55I字鋼後，僅剩32cm左右的間隙，故邊縱梁底模下的縱向隔柵只能採用10X20cm的方木，在縱向隔柵與I字鋼之間墊楔形木，用以調整梁底標高，同時便於以後拆模。
5．I字鋼分別架設在老橋鋼桁梁的節點及兩節點間1/3處，兩端各挑出4.03-4.12m和2.48-2.57m，為保證I字鋼的穩固，在老橋桁梁處採用U形鋼筋將I字鋼與老橋上弦杆焊接，同時在I字鋼下部，用75X75角鋼縱向連線成整體，該縱向角鋼又可作為斜撐的支撐點。
6．在老橋的梁底與橋臺的支承墊石、臺帽間均用硬木和鋼板等加以塞死，以增加老橋鋼樑的穩固。
由於施工時採取的施工方法使得施工荷載超過設計荷載，故設計單位根據施工方式及拆模順序的要求，重新驗算了老橋承載力、老橋上弦杆撓度、老橋橫向傾覆穩定、施工支架I字鋼懸臂端撓度及I字鋼穩定。
4.2預應力梁張拉
預應力張拉時，應力應變實行雙控，張拉程式為：0初應力（0.1σk）1.0σk持荷5分鐘錨固。設計取值已考慮錨固損失，故不採用超張拉。從0.1σk至1.0σk的伸長量數值為控制值，該值與0.9σk的設計伸長值相比較，判斷是否超標。施工單位也實測彈性模量，核算伸長量。
預應力張拉時按強度、齡期實行雙控。強度要求達到100%，齡期控制在9-19天。
錨具供貨廠家提供的夾片需片片檢驗硬度，並控制在允許範圍內，現場按規定抽檢。
4.3鋼管拱的吊運和安裝、鋼管內混凝土灌注
由於在舊橋上搭設施工支架，施工場地有限，鋼管拱肋安裝採取邊縱梁上支設管排、排架中部鋪上鋼軌滑道，以及滑轆提升措施的施工方案，取保安全施工。由於中承式拱與橋面連線處需三方向固接，即此處的結點需連線鋼管拱、邊縱梁、橫樑與橋面以下鋼筋混凝土拱肋，而邊縱梁、橫樑為預應力梁，鋼管拱內有加勁肋和鋼筋，三者相連形成固接，要求強度和質量非常高，而鋼管拱的安裝精度控制為6mm，施工難度非常大。
同時，由於在同類型橋樑中，該橋的跨度較小，鋼管斷面不會很大，為方便混凝土灌注，同時考慮到景觀問題，鋼管斷面選擇為橢圓形斷面，在混凝土灌注時要求嚴格控制骨料規格的要求，確保混凝土灌注均勻、飽滿。
4.4基礎施工
蘇州河橋主墩距老橋基礎很近，南主墩中心與老橋臺邊相距6.5m，北主墩中心與老橋臺邊相距5.8m，由於老鋼橋將作為新建橋的臨時施工支架，因此施工中老橋不能受到擾動。同時進入汛期後，在主墩基礎施工時也需確保防汛的要求，最後主墩施工採取如下措施：
a.採用沉井施工法，確保對土體的圍護。
b.採用超長護筒（河床以下2.0m），確保不因滲水而產生塌孔。
c.採用沉井封底，克服因滲水而出現沉陷。
主墩總體施工順序如下：沉井製作、沉井下沉、鑽機操作平臺佈置、埋設護筒、沉井封底、鑽孔樁施工、承臺和拱墩施工。
4.5施工監測
由於該橋結構形式複雜，施工難度大，因此，施工時進行了以下監測：
1.徐變變形
對梁、拱的徐變變形進行跟蹤量測。分別在橋面邊跨端部、邊跨跨中、中墩支點處橋面、縱橫樑與拱相交處、中跨中和拱頂處設8個測試斷面，共23個點。
2.拱肋鋼管截面應力監測。
3.施工過程中各個階段拱腳實施變位、傾角監控。
4.現場實測鋼管混凝土彈性模量發展曲線。
5經濟技術指標
該橋全長114米，寬12.5米，橋樑面積1425m2，橋樑總概算1216萬元，綜合經濟指標為8300元/m2。
6綜合分析
鋼管混凝土拱橋首次在軌道交通橋樑中(尤其是在上海這種軟土地區)應用，是一種大膽的嘗試，它主要有以下幾個特點：
1.橋樑造型優美:飛鳥式鋼管拱橋橫跨蘇州河，形成明珠線的一道風景；
2.以抗壓能力高的鋼管混凝土作為主拱肋，以抗拉能力強的高強鋼絞線作為系杆，透過邊拱肋的重量，隨著施工載入順序逐號張拉系梁中的預應力筋以平衡主拱所產生的水平推力，最終在拱座基礎中僅有很小的水平推力。克服了拱橋對基礎的苛刻要求。
3.利用舊滬杭鐵路上的舊鐵路桁架作為施工架橋的臨時支架，新橋完成後即拆除舊橋，解決了水上施工的難點。
參考文獻
1.上海城市軌道交通明珠線蘇州河橋施工設計總說明，1998年4月。
2.陳寶春,鋼管混凝土拱橋發展綜述，《橋樑建設》，1997年第二期。
3.上海城市軌道交通明珠線蘇州河橋施工組織設計，1998年6月。