梅志軍，郭小平

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330038）

鋼筋混凝土拱橋具有造型美觀、承載能力大、后期養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)點，在我國山區(qū)橋梁建設(shè)中已普遍應(yīng)用。轉(zhuǎn)體拱橋是一種大跨度、滿足特殊地形施工要求的橋梁形式的拱橋，其施工工藝已經(jīng)成熟。主橋凈跨190 m 的湖北省道南鶴公路南渡江特大橋于2017 年9 月轉(zhuǎn)體合攏，2018 年建成通車，是目前國內(nèi)跨度最大的采用有平衡重轉(zhuǎn)體施工工藝設(shè)計的鋼筋混凝土箱型拱橋。

國內(nèi)已建成并按轉(zhuǎn)體工藝施工的大跨度箱型拱橋轉(zhuǎn)出橋體主要采用開口薄壁箱及帶砼底板小直徑鋼管砼勁性骨架兩種形式。 本文擬以湖北巴東小溪河大橋的設(shè)計為例，研究和對比不同轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上提出了雙肋閉口薄壁箱方案。 該大橋成功采用了雙肋閉口薄壁箱方案，順利轉(zhuǎn)體并建成通車，其設(shè)計經(jīng)驗可供類似橋型的設(shè)計提供參考。

1 工程實例

1.1 橋型總體布置

湖北巴東小溪河大橋為中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司市政事業(yè)部承接的三峽工程庫區(qū)交通專業(yè)復(fù)建個案項目。 該項目位于長江南岸一級支流小溪河上,右岸為官渡口鎮(zhèn)肖家坪村,左岸為官渡口鎮(zhèn)馬鬃山村,下游500 m 處為小溪河入長江口。 橋東距巴東新縣城18 km,西距重慶市培石鄉(xiāng)政府約5 km。 建成后與兩岸簡易公路連接,右岸可達(dá)巴東新縣城，左岸直達(dá)重慶市培石鄉(xiāng)。

橋位處小溪河的常水位156 m 左右，水面寬度約103 m，河谷高程在90 m 左右，水深較大。 為減少施工難度，橋梁采用單孔跨越小溪河。經(jīng)綜合比選橋梁按照轉(zhuǎn)體施工工藝的箱型拱橋設(shè)計， 大橋跨徑設(shè)計充分考慮了3 kt 運煤船只的通行,主拱凈跨155 m,凈矢跨比1/6。橋梁總體布置見圖1。該橋于2013 年順利完成轉(zhuǎn)體合攏,2014 年建成通車,大橋建成后照片見圖2。

圖1 橋梁總體布置立面圖

圖2 橋梁建成后照片

2.2 轉(zhuǎn)體方案構(gòu)思

在小溪河大橋?qū)嵤┣?，我國采用轉(zhuǎn)體施工工藝大跨度（155 m 左右）箱型拱轉(zhuǎn)動體系轉(zhuǎn)出的都是帶砼底板的小直徑鋼管砼勁性骨架（見圖3）。 這種施工方法具有轉(zhuǎn)體重量輕、轉(zhuǎn)體費用低、工藝成熟、施工安全可靠等優(yōu)點，但施工要求高，必須要有專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)加工隊伍。 而且，這種轉(zhuǎn)體工藝在轉(zhuǎn)體階段使用的約200 t 勁性骨架鋼材，并非拱圈結(jié)構(gòu)使用階段所必需的鋼材，因此在技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益方面略顯不足。

小溪河大橋方案設(shè)計時，由中國瑞林市政事業(yè)部設(shè)計的貴州安順花江大橋順利完成轉(zhuǎn)體。 花江大橋為凈跨140 m 上承式鋼筋混凝土箱型拱橋，該橋轉(zhuǎn)出橋體為開口薄壁箱，是當(dāng)時中國瑞林市政事業(yè)部設(shè)計的轉(zhuǎn)出跨徑最大的開口薄壁箱結(jié)構(gòu) （見圖4）。開口薄壁箱拱圈工藝，即轉(zhuǎn)出的橋體拱箱結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土開口薄壁箱型結(jié)構(gòu)，后續(xù)施工只需要在開口薄壁箱的基礎(chǔ)上加厚腹板、底板，澆筑頂板即可。這種施工方法轉(zhuǎn)體重量稍重，但在施工工藝上只需按常規(guī)方式進(jìn)行土建施工，工藝成熟，不但造價較低、施工簡易，而且安全可靠。同時，該方案還需要注意以下因素：1）由于抗扭剛度較小，轉(zhuǎn)體階段結(jié)構(gòu)整

體的面外扭曲失穩(wěn)是開口薄壁箱結(jié)構(gòu)體系控制的主要因素。 2）同時轉(zhuǎn)體階段開口箱拱肋L/4 截面位置上緣受拉，上緣卻無法配置大量的普通鋼筋，存在L/4 截面開裂的風(fēng)險。

圖3 帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架轉(zhuǎn)體

圖4 開口薄壁箱轉(zhuǎn)體

小溪河大橋跨度達(dá)到155 m，為提高轉(zhuǎn)出橋體轉(zhuǎn)動階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，把轉(zhuǎn)出的橋體設(shè)計成雙肋閉口薄壁箱截面（見圖5、圖6），即2 個邊箱采用閉口截面，中箱采用開口截面，中箱立柱下橫隔板的砼在轉(zhuǎn)體階段形成?？紤]到閉口箱轉(zhuǎn)體合攏后，在空中綁扎鋼筋的困難，轉(zhuǎn)體階段把腹板、底板二期砼內(nèi)的鋼筋和橫隔板內(nèi)的鋼筋一并帶出。 采用雙肋閉口薄壁箱作為轉(zhuǎn)出橋體，既可解決開口薄壁箱的穩(wěn)定性問題，又較帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架方案少了鋼結(jié)構(gòu)制作、運輸、安裝等專業(yè)性強的要求。

圖5 雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體照片

圖6 雙肋閉口薄壁箱合攏照片

2.3 轉(zhuǎn)體方案體系設(shè)計及轉(zhuǎn)體重量比較

雙肋閉口薄壁箱為兩閉口薄壁邊箱和1 個開口中箱組成，薄壁箱的薄壁厚度為10 cm，為保證后續(xù)施工的方便性及結(jié)構(gòu)的可靠性，外側(cè)壁考慮二期砼在外側(cè)加厚，底板砼在箱內(nèi)加厚，頂板砼在頂面加厚，標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖7。 在對應(yīng)立柱處兩個邊箱間橫隔板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提高整體剛度。

開口薄壁箱結(jié)構(gòu)與雙肋閉口薄壁箱類似，結(jié)構(gòu)不帶頂板，底板、側(cè)壁及腹板厚度均為10 cm，拱箱高度225 cm，標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖8。拱箱二期加厚腹板及側(cè)壁在2 個邊箱內(nèi)部加厚，底板可在開口斷面加厚，方便操作，轉(zhuǎn)體階段在橫隔板位置均采用鋼筋籠及型鋼結(jié)構(gòu)，不澆筑混凝土，以減輕轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量。

圖7 雙肋閉口薄壁箱標(biāo)準(zhǔn)斷面

圖8 開口薄壁箱標(biāo)準(zhǔn)斷面

帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架為空間桁架結(jié)構(gòu)，上弦采用4 根Φ280 mm×10 mm 鋼管混凝土，單根腹桿采用雙肢槽鋼，下弦采用角鋼并埋設(shè)在12 cm 的混凝土底板中，上弦頂面設(shè)置“X”型型鋼平聯(lián)，在橫隔板位置設(shè)置型鋼剪刀撐。具體構(gòu)造見圖9。

圖9 帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架斷面

上述3 種轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系中，雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體重量最大，單個轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體重量達(dá)47 600 kN；勁性骨架方案轉(zhuǎn)體重量最小，單個轉(zhuǎn)動體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體重量約34 500 kN，開口薄壁箱轉(zhuǎn)體重量介入兩者之間。 雙肋閉口箱轉(zhuǎn)體重量大需要的背墻平衡重相對要大，較帶底板小直徑鋼管砼勁性骨架方案單個背墻增加約350 m3混凝土,但轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)可以節(jié)省約200 t 的型鋼鋼材及其制造安裝費用，總的造價上反而較低。

2.4 雙肋閉口薄壁箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

轉(zhuǎn)體拱橋的轉(zhuǎn)出橋體為大懸臂拱形偏心受壓結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體過程中存在失穩(wěn)風(fēng)險，根據(jù)多年的經(jīng)驗，采用開口薄壁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)出橋體橫向整體側(cè)傾和橫向扭曲失穩(wěn)往往先于縱向失穩(wěn)，因此小溪河大橋的雙肋閉口薄壁箱采用2 個閉口邊箱型式來增強拱肋的橫向抗扭剛度，并且2 個閉口箱設(shè)置了鋼筋混凝土的箱間橫隔板。 為了驗證雙肋閉口箱較之開口薄壁箱穩(wěn)定性上的優(yōu)勢，采用邁達(dá)斯軟件（Midas Civil）進(jìn)行建模對比分析，計算結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 開口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)

圖11 雙肋閉口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)

計算結(jié)果顯示開口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向扭曲失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)K=5.52，雙肋閉口薄壁箱一階失穩(wěn)模態(tài)為面內(nèi)的縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)為K=15.4，雙肋閉口薄壁箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性能明顯優(yōu)于開口薄壁箱。

2.5 雙肋閉口薄壁箱細(xì)部構(gòu)造處理

開口薄壁箱或雙肋閉口薄壁箱轉(zhuǎn)體階段在L/4拱肋斷面上緣處于受拉狀態(tài)，需在加強上緣的普通鋼筋配置，開口薄壁箱配置的加強普通鋼筋空間受限，花江大橋僅布設(shè)了8 根直徑28 mm 的加強鋼筋（見圖12）。 雙肋閉口薄壁箱由于設(shè)有頂板，加強鋼筋布設(shè)空間更大，小溪河大橋在此區(qū)域布設(shè)了24 根直徑28 mm 的普通鋼筋（見圖13）。雙肋閉口箱因為配置了更多的加強普通鋼筋，拱肋的抗裂性能更好。

圖12 開口薄壁箱L/4 加強筋大樣

圖13 雙肋閉口薄壁箱L/4 加強筋大樣

相對于開口薄壁箱，雙肋閉口薄壁箱的兩邊箱箱內(nèi)底板加厚及橫隔板混凝土需要在箱內(nèi)密閉環(huán)境進(jìn)行，施工操作上要困難一些。設(shè)計時按照15~20 m間距在邊箱頂板上設(shè)置1 個60 cm×60 cm 的人孔以方便澆筑底板二期混凝土。 邊箱內(nèi)橫隔板在轉(zhuǎn)體時將橫隔板內(nèi)鋼筋一起帶出，二期澆筑混凝土?xí)r在橫隔板上方的頂板上開3 個直徑10 cm 的混凝土灌注孔即可，見圖14。

圖14 混凝土灌注孔大樣

雙肋閉口薄壁箱設(shè)有頂板和中箱的混凝土橫隔板結(jié)構(gòu)，扣索在穿越拱箱時存在交織，因此在澆筑邊箱頂板及中箱橫隔板時應(yīng)注意預(yù)埋穿索孔，見圖15。穿索孔應(yīng)定位準(zhǔn)確，定位時應(yīng)考慮預(yù)拱值，另外穿索孔要適當(dāng)做得大一點，適應(yīng)脫架后的變形，確?？鬯骼瓧U不觸碰到頂板及橫隔板，避免造成局部應(yīng)力破壞。

圖15 穿索孔大樣

3 結(jié)語

綜上所述，小溪河大橋設(shè)計在總結(jié)常規(guī)的轉(zhuǎn)出橋體基礎(chǔ)上，提出了雙肋閉口薄壁箱作為轉(zhuǎn)出橋體的創(chuàng)新方案。該方案在穩(wěn)定性和抗裂性上優(yōu)于開口薄壁箱結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)于帶混凝土底板小直徑鋼管混凝土勁性骨架結(jié)構(gòu)，也不需要專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)制作安裝隊伍，更利于條件受限的橋位現(xiàn)場。該橋于2013 年順利轉(zhuǎn)體，2014 年建成通車，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了明顯的社會效益，得到業(yè)主及同行一致認(rèn)可，值得在類似橋型設(shè)計中推廣。