猛洞河大桥主桥结构设计

曹赟干

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

猛洞河大桥主桥结构设计

曹赟干

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

猛洞河大桥是永吉高速公路上的一座特大型桥梁，主桥采用跨径268 m上承式钢管混凝土结构。对大桥桥型方案构思、主拱圈选型、矢跨比、拱上建筑和节点形式进行说明，阐述了主拱圈和拱上建筑的构造细节，为山区地形条件下的上承式钢管混凝土拱桥设计提供参考。

桥梁设计; 拱桥; 方案构思; 主拱圈

1 工程概况

永吉高速猛洞河大桥位于湖南省湘西州永顺县烈夕乡下寨村、高坪乡那丘村附近，跨越猛洞河峡谷。桥位区为溶蚀构造形地貌中的低山溶蚀洼地峡谷，猛洞河流经谷底。山谷两侧悬崖距离约200～380 m，大桥设计标高与谷底高差约240 m。河谷两岸陡峭，无河滩，两岸山体植被茂盛。

大桥按双向四车道高速公路标准设计，桥宽24.5 m，设计荷载为公路 — Ⅰ级；设计基准期为100 a；地震基本烈度6度，地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s；河流无通航要求。

2 总体构思

2.1 桥型方案选择

桥型方案的选择受地形地质条件的限制。猛洞河峡谷两侧为悬崖陡壁，桥位附近峡谷间距超过250 m，这一跨度多在拱桥、斜拉桥和悬索桥中进行比选。从地形条件看，拱桥方案天然合适V型地形；如果地质情况较好，能满足大吨位桥塔的要求，斜拉桥方案也是不错的选择。如果地质复杂，处理后都难以满足拱座或桥塔的地质要求，那么一跨跨越峡谷的悬索桥也是可选择的。

地勘表明桥位处地质较好。上承式拱桥方案充分利用“V”形峡谷条件，受力合理，跨径相对最小，造价较低。若采用斜拉桥方案，由于永顺岸边坡较陡，斜拉桥的边跨已经切入了路基，既不经济也不美观。最终采用主跨268 m上承式拱桥方案。见图1。

2.2 主拱圈结构形式

我国目前已建成的山区拱桥中，200～300 m跨径范围的主拱圈结构形式最为常见的有钢筋混凝土箱型截面和钢管混凝土桁架截面。桥梁设计中需从结构特性、施工难度、安全风险、工期、造价等方面进行综合比选。

从结构性能来看，钢筋混凝土拱桥刚度大，造价低，维修养护简便，但其水平推力较大，对地基承载力要求较高。钢管混凝土拱桥水平推力比同等跨径混凝土拱桥减小40%以上，但缺点在于造价相对较高，且钢管需要进行防腐养护。

从施工来看，钢筋混凝土拱桥的施工方法主要有支架现浇、缆索吊装悬拼、斜拉扣挂悬臂现浇、转体施工及劲性骨架外挂模板分环分段现浇施工等。转体施工和支架现浇受地形条件限制，不适于本桥；悬拼或悬浇施工对缆吊及扣挂系统承载要求高，目前国内采用悬拼或悬浇方法施工的混凝土拱桥最大跨径没有超过200 m，跨径越大，施工设备投入和安全风险也越大；劲性骨架施工方法需先安装合拢劲性骨架，再对混凝土主拱圈采用纵向分段、横向分室浇注，拱圈截面存在龄期差异，截面受力整体性不足，且施工过程较复杂，施工控制难度较大，安全风险比较高。钢管混凝土拱桥可用缆索吊装自架设成拱，待钢合龙后在弦管内灌入微膨胀混凝土形成钢管混凝土结构。与钢筋混凝土拱桥相比，钢管拱桥架设荷载更小，缆吊及扣挂系统要求更简单，施工风险更低，且没有了外包混凝土的工序，工期大为缩短，施工加载过程也更为简便。

考虑到大跨径钢筋混凝土拱桥施工风险过高，最终本桥主拱圈采用施工风险低、施工进度快的钢管混凝土桁架结构。

2.3 拱上建筑形式

拱上建筑结构体系上可分为简支梁体系、连续梁体系和连续梁连续刚构体系，从材料上可分为钢筋混凝土主梁、预应力钢筋混凝土主梁、钢-混凝土组合结构主梁和钢结构主梁。

目前已建成的上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑多采用简支体系预应力钢筋混凝土预制梁，其结构构造形式简单，传力路径明确，拱上建筑多采用缆吊架设就位，施工工艺成熟。连续或连续刚构体系的预应力钢筋混凝土主梁具有更大的跨越能力，对提高结构整体性更有利，但拱上建筑与拱圈联合作用会导致上部结构受力复杂，易产生病害。钢结构和钢-混凝土组合结构主梁自重轻，跨越能力大，既能降低承载能力状态下的主拱圈内力，又能减小地震响应，但造价较高。

综合考虑结构受力性能和经济性能指标，本桥拱上建筑采用结构简支桥面连续的预应力钢筋混凝土T梁。

2.4 主拱圈矢跨比

矢跨比是拱桥设计的主要参数之一，对拱桥结构特性有显著的影响。矢跨比主要由恒载大小、桥位地形地质情况、通航净空要求、技术经济影响、稳定性要求以及美学要求等因素决定，通常矢跨比在1/3.5～1/8之间。一般来说，对于上承式有推力钢管混凝土拱桥，矢跨比越大，拱脚水平推力和弦杆轴力越小，主拱圈稳定性能也越好。通过对本项目桥位处两岸的地质表露判断，拱座标高愈低，岩层裂隙发育愈少，山体边坡稳定性越好。在相同桥面标高下，矢高越大则拱座基础越低，地质条件也越好。设计时分别采用1/3.8、1/4和1/4.5这3种矢跨比进行对比计算，最终选用了1/3.8的矢跨比，取得了较好的受力性能和经济指标。

2.5 构件截面和节点形式

钢管混凝土桁架拱桥弦杆为圆型截面，而腹杆则有闭口空心钢管截面和开口工字形截面2种形式，对应桁架节点形式分别为管管相贯线焊接节点和型钢栓焊节点。焊接节点的优势在于构造简单，施工中可通过焊缝适应少量放样误差，节点外形简洁流畅，然而相贯线焊缝根部焊接困难，极易产生焊接缺陷，其疲劳强度也较低。栓焊节点的连接板与弦管先在工厂预制焊接，现场构件拼接采用摩擦型高强螺栓节点，避免了现场施焊条件差，焊接工作量大的问题，焊缝质量有保证，节点抗疲劳强度高。综合考虑施工工艺和受力性能，本桥采用型钢腹杆和栓焊节点。

图1 猛洞河大桥桥型布置图(单位： m)

3 结构设计

3.1 主拱圈

主拱圈计算跨径268 m，计算矢高f=70.53 m，矢跨比1/3.8；拱轴线采用悬链线，拱轴系数1.65。主拱圈由2道钢管混凝土拱肋及横撑组成，采用栓焊结合的连接形式。拱肋为等截面四管全桁式构件，上下弦杆与腹杆及平联之间采用高强螺栓栓接，内斜撑与弦杆之间设节点板并焊接；横撑与拱肋之间为管管焊接。

拱肋桁架弦杆中心上下间距3.9 m，水平间距3.5 m。弦管采用φ1100 mm钢管，其中上弦杆壁厚由拱顶向拱脚分为24、20、24 mm 3段，下弦管壁厚由拱顶向拱脚分为20、24、28 mm 3段。上下弦管间设竖腹杆和斜腹杆，腹杆为焊接H型钢，截面根据受力情况采用H420×420×16×20 mm和H420×420×18×24 mm这2种规格。弦管横向设置平联杆，平联杆截面为H420×420×16×20 mm。腹杆、平联杆与弦杆节点板之间采用10.9级M27高强螺栓连接。见图2。

图2 拱肋桁架断面(单位： cm)

拱脚设置临时铰接头，由φ1100×28 mm转轴钢管、φ450×16mm支承钢管及加劲板组成；拱肋上、下弦管、铰接头转轴钢管及支承钢管内灌C55混凝土。拱肋节段划分按最大吊装重量不超过85 t控制，单边拱肋分为16个节段，全桥共32个节段，最大节段重约80 t(拱脚段)。节段间接头及合龙段在吊装阶段通过上、下弦管内设置的内法兰临时栓接，待拱肋合龙并调整拱轴线线形后再将接头位置的弦管焊接。

立柱节点处的腹杆布置采用“双竖腹杆+倒V型斜腹杆布置”设计(见图3)，桁架竖腹杆布置与立柱对应，并调整斜腹杆以加强上弦杆节点刚度。如此解决了上承式钢管混凝土拱桥立柱节点荷载较大、对应位置主拱肋刚度相对不足的问题，有效削减了拱肋节点应力峰值，提高了拱肋承载能力。

图3 立柱节点构造

两拱肋间设横撑，其中拱顶设1道“一”字横撑，其他立柱位置设12道“米”字横撑。每道横撑均为钢管桁架，横撑上、下弦直杆采用φ630×14 mm钢管、斜杆采用φ600×12 mm钢管，上、下弦横撑直杆间设φ402×10 mm竖腹杆及交叉斜腹杆。横撑钢管均为空钢管。横撑与主拱肋相应节段同步吊装，通过与预焊在主拱肋弦管上的短接头焊接后形成整体结构。见图4。

图4 横撑构造

3.2 拱上立柱、盖梁

拱上立柱采用四肢钢管混凝土格构柱，其中L5～L7立柱高25～57 m，立柱主管采用φ450×10 mm钢管；主管间设纵、横向系梁和斜撑(缀杆)，均采用φ219×6 mm空钢管；主管间距纵向为140 cm，横向为350 cm。L1～L4立柱高3～16 m，立柱主管采用φ402×10 mm钢管，主管纵向间距为110 cm。立柱下端与设在拱肋上的预焊管下接头连接，下接头外设钢套管，立柱主管和下接头钢套管内灌注C55微胀混凝土。立柱上端与设在盖梁下的预焊上接头焊接，上接头节点设法兰。立柱较长时，按10～15 m长度分段吊装。

盖梁采用钢箱截面，顶板设2%横坡，跨中梁高1.4 m。钢箱梁顶、底板厚18 mm，腹板厚16 mm，横隔板厚16 mm。在立柱位置，箱内设管型加劲肋以将上部反力传递给立柱。盖梁顶的支座垫石采用钢板条围箱，内设栓钉，灌入C40小石子混凝土。

3.3 拱座、交界墩

主桥拱座采用埋入式钢筋混凝土实体结构(见图5)，迎拱脚面与放样拱轴线垂直，背面设为与岩体密合的台阶形状。拱座混凝土分C30、C40两部分，第1次浇C30基础，第2次浇C40拱座第1层，须精确预埋拱脚弦管接头及铰座，第3次浇C40拱座第2层封铰。

图5 拱座构造(单位： cm)

拱座上的交界墩采用整幅双柱式等截面矩形空心墩，墩柱中心距1300 cm，墩间不设横系梁，墩顶设220 cm高钢筋混凝土盖梁，墩底与拱座相连。墩柱截面横桥向等宽，纵桥向设1∶100变宽，墩底截面尺寸为497 cm×350 cm(纵×横)，壁厚60 cm。

4 桥梁施工

钢管混凝土拱桥具有自重轻、强度大等特点，为山区一种理想桥梁结构形式。但随着桥梁跨度不断增加，其架设难度也不断加大。对于钢管混凝土拱桥而言，通常有以下几种架设方法：满堂支架施工法、缆索吊装 — 斜拉扣挂法、转体施工法等。但就山区拱桥而言，其运输条件有限，通航不便利，缆索吊装法能发挥“化整为零、集零为整”的优势，特别适合于跨越深谷的拱桥吊装施工。

本项目猛洞河大桥采用870 m双幅单跨无塔缆索吊装系统(见图6)，将缆索吊装与斜拉扣挂系统分离开来，这样不仅提升了吊装系统的跨径和吊装能力，而且有效地减少了用钢量，使吊装系统的提前运行，扣挂系统单独运用，也有效地避免了塔架位移对拱肋安装时的精度影响。结合桥位处地形，将缆吊系统主缆锚固在山体，节省了单独设置主塔的费用。本桥通过合理的使用无支架缆索吊装系统和斜拉扣挂系统，使主拱完成了高精度的合龙，效果良好，值得推广。

图6 缆索吊装系统布置图(单位： m)

5 结语

在山区高速公路建设中，上承式拱桥是一种适合跨越深沟、河谷的桥型，跨越能力大、美观大方、经济合理。钢筋混凝土拱桥、钢拱桥、钢管混凝土拱桥或其他组合结构拱桥各有优劣，设计者应根据桥位处的地形地质条件、交通运输条件及工期对主拱圈结构进行比选。猛洞河大桥的成功建设，为山区“V”形峡谷地形条件下的拱桥设计与建造积累了先进的技术及宝贵的经验。

[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.

2017-05-15

曹赟干(1984-)，男，工程师，从事桥梁结构设计研究。

1008-844X(2017)02-0178-04

U 448.22

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