田阳县百东大桥位于田阳新城区, 跨越百东河, 结合河流走向、地形情况、景观功能, 设大桥一座, 桥型采用1×55m梁拱组合桥, 桥梁总宽度28.5m, 长63.32m, 设计采用斜桥正做, 桥梁中心桩号K1+546处于路线斜交1.66°。主梁采用预应力混凝土箱梁, 拱肋采用钢管混凝土桁架拱, 主梁采用钢管支架现浇法施工, 拱肋采用工厂预制、现场支架吊装的方法施工。
本文将着重介绍上部结构梁拱组合构造、受力特性、施工调索工序, 总结本桥型的优缺点。
主梁采用预应力混凝土箱梁, 单箱多室结构, 吊杆处设预应力横隔板;主拱肋因造型需要采用四管钢桁架拱, 桁架高度变截面, 吊杆采用钢绞线吊杆, 破断索力3906KN, 吊杆间距6.0m。施工工序为:支架现浇主梁并张拉纵横预应力钢束、安装主拱肋、安装吊杆并第一次调整索力、拆除支架、施工二期恒载 (未含沥青面层) 、第二次调整索力并施工沥青面层成桥。
计算表明吊杆初张力受如下因素影响:1) 主梁和主拱的相对刚度、变形及承载能力;2) 吊点处横隔板的承载能力;3) 主拱吊点处的承载能力。
就本桥而言, 主拱由于考虑造型的因素, 桁架高度较大、变形较小, 具有较高的承载能力。但由于本桥较宽, 吊点横向间距达到26.30米, 过大的初张力将导致横隔板承载能力不足。增大横隔板截面厚度对提高承载能力不明显反而大幅度的增加横隔板自重, 只能通过增加横隔板高度 (即主梁高度) 的方式来提高横隔板的承载能力
基于上述吊杆初张力确定原则, 本次设计通过建立空间有限元模型多次试算优化的方式确定吊杆初张力和横隔板高度 (即主梁高度) 。在确保横隔板受力合理的前提下, 索力如下表:
成桥后主梁纵向最大应力如下表:
成桥后横隔板最大应力如下表:
成桥后主拱最大应力如下表:
由上述4表分析可知, 成桥状态下主梁纵梁、横隔板均能满足受力要求, 但已无较大的富余, 主拱应力具有相对大的富余 (拱脚部位可以通过局部加强予以解决) 。本桥跨度55米, 主梁高度2.4米, 同等跨度常规预应力混凝土箱梁桥梁高至少2.8米, 梁拱组合受力后主梁梁高减小明显。
本桥型吊杆受力与常规拱桥吊杆、斜拉桥拉索受力特点相似, 本桥吊杆最大索力900KN, 选用吊杆破断索力3906KN, 使用阶段安全系数4.34倍。后续使用可以通过适当增加吊杆张拉力的方式来提高全桥的承载能力 (在主梁、主拱已有安全富余的前提下) , 若控制吊杆安全系数不小于3.5, 则吊杆最大索力可调整至1100KN, 全桥承载能力可增加280吨, 具有较大的提升空间。
由于吊杆的设置, 吊杆处要设置横隔板, 间距6.0米。每块横隔板自重560KN, 成桥吊杆张拉力两端合计1800KN, 拱所承担荷载中, 横隔板自重占比30%以上。采用高强轻质的横隔板, 拱所承担的有效荷载能得到大幅提升。
本桥吊杆长度差异较大, 第一根吊杆张拉后, 由于后续吊杆的张拉, 主拱下挠, 主梁上挠, 前述张拉吊杆的有效应力逐步衰减, 越前张拉衰减越多, 因此张拉顺序应先长后短, 从跨中对称向支点张拉。
第一次调索完毕、二期恒载施加后, 吊杆实际索力分布不均, 应进行二次调索, 调整顺序依然遵循先长后短、从跨中对称向支点张拉的原则, 二次调索完成后, 铺装最后一层沥青面层后成桥, 此时各吊杆索力分布均衡, 无需再调整。
本桥桥面积1804.62平方米, 建安造价2076.18万元, 单方造价11504元每平方米。相对常规预应力混凝土箱梁桥提高造价约30%, 与相对常规钢筋混凝土拱桥造价相当。由于此类桥型工序复杂, 拱及吊杆单价均较高, 相对于常规预应力混凝土箱梁桥以及常规钢筋混凝土拱桥不具备造价优势, 但具有良好的景观优势。
1) 此类桥型在经济性方面相对于传统桥型不具备优势, 但具有相当好的景观效果, 且后续使用可以通过调整吊杆张拉力来提供承载能力, 灵活度高。
2) 梁拱所承担的荷载比例, 总体上由梁拱的相对刚度决定, 但吊杆处横隔板的承载能力对梁拱所承担的荷载比例具有较大的制约, 对于单幅过宽的桥梁, 适用性较差。
3) 采用高强轻质的吊杆横隔板可较大幅度的提升拱所承担的荷载的有效性。
4) 吊杆张拉时, 须二次调索, 且应按照先长后短的原则施加吊杆张拉力。
2018年5月, 本桥已开工建设, 预计2019年12月本桥将建成通车, 建成后对田阳经济发展具有重要意义。
摘要：简要介绍田阳百东大桥梁拱组合受力特性、施工调索工序、经济性, 以总结经验, 为类似工程提供参考。
关键词：梁拱组合桥,预应力混凝土,受力特性
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