楊帆

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

多跨連拱跨海景觀橋關(guān)鍵技術(shù)研究

楊帆

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

多跨連拱景觀橋景觀優(yōu)美、造價不高、施工技術(shù)成熟。對多跨連拱橋的總體布置、計算、施工、耐久性進行了分析和設(shè)計。主拱上方會與腹拱形成一個三角框架體系，由此產(chǎn)生的溫度力十分大，正常的配筋根本無法滿足要求。故需將腹拱與主拱斷開,腹拱采用簡支方式支撐在主拱上?？绾蛄涸O(shè)計中，耐久性設(shè)計是一個關(guān)鍵點，需采取增大保護層、控制裂縫、表面涂裝及添加阻銹劑等綜合措施。

多跨連拱；水平力；耐久性；施工順序

1 概 述

某人工島項目是某沿海省份的超大型旅游項目，通過人工填海形成若干造型奇特的島嶼，再通過跨海大橋與陸地連接。本工程是人工島島間的連接工程，位置重要且景觀要求高。由于島嶼四周環(huán)形道路標(biāo)高的限制，跨徑不宜過大否則橋頭要抬高，本橋跨徑定為13 m+20 m+22 m+24 m+24 m+ 22 m+20 m+13 m八跨連拱橋，鋼筋混凝土上承式拱橋，見圖1。

圖1 效果圖

拱橋結(jié)構(gòu)簡單,承載能力大,在我國公路、鐵路上得到廣泛使用[1]。其中多跨連拱景觀優(yōu)美、造價不高、施工技術(shù)成熟，適用于有景觀要求且通航標(biāo)準(zhǔn)不高的區(qū)域。

2 總體設(shè)計

橋梁跨徑除邊跨外為20～24 m,矢跨比為1/2.9～1/3.2，邊跨的矢跨比增大，有利于減少邊墩水平推力。主拱斷面高1 040 mm，內(nèi)設(shè)直徑600 mm孔洞；腹拱斷面高820 mm，內(nèi)設(shè)直徑400 mm孔洞，內(nèi)設(shè)孔洞有利于減少拱身自重。下部結(jié)構(gòu)采用墻式墩接承臺，基礎(chǔ)采用1 500 mm鉆孔灌注樁。橋臺采用輕型橋臺，1 200 mm鉆孔灌注樁，梅花型布置。立柱寬3.5 m,承臺6.25 m×2 m×19.3 m。

地層自上而下由①素填土、②生物碎屑角礫、③粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤海灘巖、⑥粉質(zhì)黏土組成。第⑥粉質(zhì)黏土可塑～硬塑狀，工程性能較好，為良好的樁基礎(chǔ)持力層。

由于景觀及橋頭道路的限制，此橋無法設(shè)置抗水平推力的重力式橋臺，致使其受力體系與一般的多跨連拱橋不同。多跨連拱是超靜定結(jié)構(gòu)，溫度荷載特別大，一般采用較柔性的橋墩及基礎(chǔ)，并需設(shè)置單向抗水平推力墩。此工程適當(dāng)加強每個橋墩及基礎(chǔ)剛度，以對抗水平推力。

在初步試算后發(fā)現(xiàn)，如果腹拱與主拱剛接在一起，主拱上方會與腹拱形成一個三角框架體系，由此產(chǎn)生的溫度力十分大，正常的配筋根本無法滿足要求。故需將腹拱與主拱斷開，采用簡支方式支撐在主拱上，以簡化橋梁受力關(guān)系。

橋型布置見圖2。

減輕橋梁自重是混凝土板拱設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵考慮因素。主拱及腹拱的截面采用空心截面（見圖3、圖4）。拱上建筑的填料采用輕質(zhì)泡沫混凝土，很大程度的減少了橋梁的自重。

3 結(jié)構(gòu)計算模型及驗算結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析需建立總體模型全面考慮[2]。采用MIADS軟件建立全橋上下部空間模型。

拱上建筑及橋面系重量按荷載加載到模型里。模型考慮樁土相互作用，樁基按每米長等效為1個彈簧，把彈簧剛度輸入到模型中，來模擬實際的樁土相互作用?？紤]溫度作用、不均勻沉降作用、汽車及人群作用。

圖2 橋型布置圖(單位：mm)

圖3 主拱斷面(單位：mm)

圖4 腹拱斷面(單位：mm)

橋梁施工順序從樁基、承臺、橋墩到上部結(jié)構(gòu)，拱圈從兩側(cè)向中間施工，模型按實際施工順序模擬施工階段，見圖5。

圖5 橋梁計算模型

此工程抗震設(shè)防類別丁類、抗震措施等級7度，地震等級不高，經(jīng)抗震計算，抗震不控制結(jié)構(gòu)尺寸及配筋。

3.1 承載能力極限狀態(tài)驗算

（1）正截面極限承載能力驗算

按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進行承載能力極限狀態(tài)內(nèi)力的荷載組合，按照空心板的配筋進行截面極限承載力驗算，結(jié)果如下。

由圖6結(jié)果可知，基本組合最大彎矩為：19 212 kN·m；抗彎極限承載力為：46 714 kN·m，抗彎承載能力滿足要求。

圖6 拱肋基本組合彎矩設(shè)計值及其對應(yīng)的抗力（單位：kN·m）

由圖7可知，基本組合最大彎矩為：13 546 N·m；抗彎極限承載力為：35 035 kN·m，抗彎承載能力滿足要求。

圖7 腹拱基本組合彎矩設(shè)計值及其對應(yīng)的抗力（單位：kN·m）

結(jié)果表明驗算截面的設(shè)計彎矩均小于截面極限承載彎矩。結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計規(guī)范要求。

（2）斜截面抗剪承載能力計算

由程序計算得主要控制截面剪力組合設(shè)計值Vd（已計入結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）及抗剪強度列下表如下。

由圖8可知，基本組合最大剪力為：6 377 kN；抗剪彎極限承載力為：20 138 kN，抗剪承載能力滿足要求。

圖8 拱肋基本組合剪力設(shè)計值及其對應(yīng)的抗力（單位：kN）

由圖9可知，基本組合最大剪力為：4 798 kN；抗剪彎極限承載力為：18 247 kN，抗剪承載能力滿足要求。

圖9 腹拱基本組合剪力設(shè)計值及其對應(yīng)的抗力（單位：kN）

結(jié)果表明驗算截面的設(shè)計剪力均小于截面極限承載剪力。結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計規(guī)范要求。

（3）單向推力驗算

此工程橋墩基礎(chǔ)都已加強。驗算連拱橋局部一孔坍塌時，橋梁的極限承載力也滿足要求，不會整體坍塌。

3.2 裂縫驗算

裂縫驗算見表1、表2。

表1 拱肋主要截面裂縫寬度驗算

最大裂縫寬度為0.129 mm，鋼筋混凝土構(gòu)件在III類環(huán)境中的裂縫限制寬度為0.15 mm，主要控制截面裂縫寬度滿足規(guī)范要求。拱的各項指標(biāo)都能控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)[3]。

4 耐久性設(shè)計

本橋位于海洋環(huán)境，炎熱地區(qū)，按照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》環(huán)境作用等級屬于Ⅲ-F，是氯化物環(huán)境中的最高等級[4]。耐久性設(shè)計是本工程一個關(guān)鍵性設(shè)計要點。

（1）保護層厚度

在海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，由于氯鹽的存在，混凝土保護層的厚度應(yīng)比一般的混凝土保護層厚度要大一些。除了要滿足橋梁設(shè)計規(guī)范中確定的最小保護層厚度外，參考類似工程確定本工程的最小保護層：

拱圈：主筋最小保護層厚度70 mm。

墩柱：主筋最小保護層厚度取70 mm。

承臺：承臺底主筋保護層160 mm,其余主筋最小保護層厚度70 mm。

鉆孔灌注樁：主筋最小保護層厚度85 mm。

（2）高性能海工混凝土

高性能海工混凝土與普通混凝土的差別在于通過摻入粉煤灰、高爐礦渣、微硅粉中的一種或多種摻料，來提高混凝土在特定條件下所需要的特定性能，如高彈性模量、低滲透性以及抵抗某些類型破壞的性能。

高性能混凝土從指標(biāo)上來看，相對普通混凝土，對骨料的最大粒徑、最高水灰比等方面均做出了更嚴(yán)格的規(guī)定要求。

本工程中：拱肋、側(cè)墻、橋墩采用高性能海工混凝土。

（3）嚴(yán)格控制裂縫寬度

普通混凝土構(gòu)件：短期效應(yīng)組合裂縫寬度不大于0.15 mm[5]。

（4）混凝土表面涂層體系

全橋墩柱、拱圈外表面均涂刷防腐涂料。根據(jù)《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》（JT/T 695-2007）的要求，本工程大部分墩柱及拱圈大部分位于水位變動區(qū)域及浪濺區(qū)，混凝土外表面的推薦涂層體系為：90 μm環(huán)氧聚硅氧烷漆+300 μm環(huán)氧樹脂+50 μm潮濕表面容忍性滲透性環(huán)氧封閉底漆。腐蝕環(huán)境等級為Ⅲ-2型，防腐設(shè)計年限為20 a。

（5）混凝土摻阻銹劑

全橋拱肋、墩柱混凝土均摻入阻銹劑。

（6）本工程涉及到的可能與大氣或海水直接接觸的其他鋼構(gòu)件（泄水槽、支座鋼板、螺栓、螺母等），均需要設(shè)置表面防腐，采用表面鍍鋅50 μm防腐處理。

5 橋梁施工

一般跨海、跨河橋梁施工需設(shè)置通長棧橋，利用棧橋運輸混凝土泵車、鋼護筒、鋼套箱、墩柱模板、鋼筋等工程所需各類設(shè)備及材料，運輸方式與陸路運輸基本相同。通過設(shè)置橫向馬道及樁基施工平臺進行海中橋梁樁基的施工，樁基需要下放較長的鋼護筒，承臺采用鋼套箱施工方式，并施做封底混凝土。橋梁墩柱及蓋梁均采用海上立?，F(xiàn)澆方式。上部結(jié)構(gòu)預(yù)制梁通過浮吊吊裝施工。

本工程上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，需要搭設(shè)支架?？紤]到本橋跨徑不大，可在承臺上搭設(shè)貝雷梁，貝雷梁上再搭設(shè)支架。

多跨連拱的拱圈施工必須有嚴(yán)格的施工順序，需從橋梁兩側(cè)向中跨澆筑，嚴(yán)禁嚴(yán)禁從主拱一端到另一端的單向作業(yè)。

一般橋梁合龍溫度均為最低溫度，因為降溫過程產(chǎn)生的拉力不利于橋梁結(jié)構(gòu)。但本橋為橋臺無水平推力的多跨連拱，升溫過程產(chǎn)生的向外側(cè)的水平推力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的不利影響，所以在反復(fù)模型試算后，將中跨的合龍溫度定位年平均溫度20℃左右。

另外，結(jié)構(gòu)自重是混凝土板拱的主要受力來源，控制混凝土澆筑超方，是施工過程中的重要關(guān)注點。

6 結(jié) 語

城市橋梁的景觀要求在城市橋梁建設(shè)中的比重越來越重，本文介紹了多跨連拱景觀橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)：總體布置、計算、施工、耐久性設(shè)計等。通過計算發(fā)現(xiàn)，無水平推力的橋臺是本工程的結(jié)構(gòu)體系一個關(guān)鍵影響因素，必須重新適當(dāng)調(diào)整下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的剛度之比來平衡溫度力。另外，跨海橋梁設(shè)計中，耐久性設(shè)計是一個關(guān)鍵點，需采取增大保護層、控制裂縫、表面涂裝及添加阻銹劑等綜合措施。最后，跨海橋梁施工是工程難點。需設(shè)置長棧橋和橫向馬道，利用鋼護筒和鋼套箱施工樁基和承臺，然后承臺之間搭設(shè)貝雷梁及支架，現(xiàn)澆上部結(jié)構(gòu)。多跨連拱的拱圈施工必須有嚴(yán)格的施工順序，需從橋梁兩側(cè)向中跨澆筑，合龍溫度應(yīng)根據(jù)模型計算確定。

[1]顧安邦.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]王國鼎,鐘圣斌.拱橋[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]GB/T 50476-2008,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

U448.22

B

1009-7716（2017）01-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.014

2016-10-28

楊帆（1984-），男，四川成都人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。