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摘要：本文以某限高地区中承式钢箱坦拱桥为实例，简述该桥的结构设计思路，进行结构计算，同时讨论了施工方案的选取。计算结果表明，该桥的强度、刚度、稳定性均满足要求，本方案在高度受限地区适用，对其他工程有一定的借鉴意义。
关键词：钢箱坦拱桥；有限元；限高地区；结构设计
1 工程概况
拟建大桥区域地势较为平坦，南侧有现状大堤，北侧现状为驳船码头，两岸地面标高2.5m左右。江底标高最深为-9.2m左右，常水位水深10m以内，江面宽约390m。西北向约3km处存在某机场，该桥在机场限高60m（与机场的相对高程）的范围内。
根据现状，拟建大桥应同时满足主跨400m左右，通航净高24m以及结构限高60m三个基本条件，钢箱坦拱桥和矮塔斜拉桥是常规的适用桥型。但对于城市跨河桥梁而言，除满足交通功能外，还要重视景观要求，该桥上游已存在斜拉桥，为形成“一桥一景”的建设形态，选取中承式钢箱坦拱桥作为最终设计方案。
2 结构设计
本方案为大断面中承式钢箱坦拱桥。主跨跨径402m，矢高59.5m，中拱矢跨比f/L=6.756，拱轴线采用二次抛物线形，拱肋高5.0～9.0m；边拱矢高13.78m，拱轴线仍为二次抛物线形，拱肋高4.0～7.0m；拱肋均为工字形钢箱断面，横向宽度5.0m。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋上，梁高2.8m；加劲梁采用正交异性桥面板钢箱梁，中跨加劲梁为开口断面，两端通过滑动支座支承在中横梁上；边跨加劲梁为闭口断面，分别在中跨和边跨的拱梁交汇处与拱肋固结。全桥两边跨端横梁之间布置强大的水平拉索，以平衡中跨拱产生的水平推力。钢箱拱肋间设置箱形“一”字横撑，使其连成整体，形成稳定的结构体系，并提供强大的侧向抗弯刚度以抵抗横桥向的风荷载。总体布置见图1。
图1 桥梁总体布置图
（1）主拱
拱肋采用工字形钢箱断面，拱轴线按二次抛物线变化，单片拱肋横向宽度5.0m，拱肋高度为跨中向支点渐变，渐变范围为5.0～9.0m。拱肋钢板厚度为：顶板板厚30mm、底板板厚30mm～35mm、腹板采用2道25mm厚钢板；拱梁结合段位置适当加厚；拱肋加劲采用T形加劲肋。
（2）边拱
拱肋采用工字形钢箱断面，拱轴线按二次抛物线变化，单片拱肋横向宽度5.0m，拱肋高度为边支点向中支点渐变，渐变范围为4.0～7.0m。拱肋钢板厚度为：顶板板厚70mm～75mm，底板板厚65mm，腹板采用2道60mm厚钢板，系杆锚固处钢板进行局部加强，扩散锚固集中力。为避免边支点产生负反力，边拱中需灌注混凝土压重。
（3）加劲梁
桥梁主梁梁高为2.8m，中跨系梁为开口钢箱梁，即双主梁（带风嘴钢箱梁）+横梁结构体系，两端通过滑动支座支承在拱肋中横梁上，纵梁顶底板及腹板均采用16mm厚钢板，主纵梁之间设置横梁，横梁标准间距6m一道，与吊杆位置相对应处均设置横梁，横梁采用工字型断面，顶底板与腹板均采用20mm厚钢板，各片横向加劲梁之间设置纵向小纵梁，以利于横向加劲梁侧向稳定及支撑桥面汽车活载。边跨加劲梁为闭口断面，两端与拱肋、中横梁及端横梁刚结。
（4）风撑、立柱
中拱拱肋间设置7道风撑，风撑间距36m，风撑采用箱型断面，断面尺寸为3x3m。
边拱圈设置立柱以支持上部梁体，单片边拱设置2个立柱，分别位于边跨近跨中处和中支点处，立柱采用矩形断面，尺寸为3x3m。
（5）吊杆
吊杆拟采用1670级预应力平行钢丝，吊杆锚具采用专用可调节可更换吊杆锚具，系杆锚具采用冷铸镦头锚。上述材料技术成熟，应用广泛，施工及运营阶段安全有保障。吊杆间距采用12m，吊杆与拱肋在同一平面内。系杆锚固于边拱肋端部，布置在吊杆两侧，纵梁顶，方便检查维护。
（6）基础
根据宁波地质为软土地基的情况，本桥基础采用基础采用钻孔灌注桩，上接承台的形式，承台为工字形承台，外形尺寸（43.5x25.5x6）m，保持与常洪隧道坞墩结构净距约3m，承台不进入现状大堤堤顶（大堤局部坡脚位置在承台施工完成后再恢复），基础采用1.5m钻孔灌注桩，单片拱肋下桩基础按6排布置，每排4根。
边跨墩柱采用双柱式布置，横向布置两个矩形墩柱，间距29.5m。基础采用1.5m钻孔灌注桩，3排布置，每排3根。
3 结构计算
为验证方案的可行性，采用MIDAS程序，建立全桥的空间杆系模型，对该桥的强度、刚度和稳定性进行了验算，计算模型见图2。
图2 空间杆系模型
3.1 结构强度和刚度验算
经计算，在成桥阶段，钢箱主拱拱肋截面上缘最大应力78MPa，截面下缘最大应力88MPa；钢箱边拱拱肋上缘、下缘最大应力分别为176MPa、104MPa；主梁截面最大应力152Mpa。各构件最大应力均满足小于200MPa的要求。图3、图4为边拱拱肋应力图。
分别验算了最大悬臂阶段、合龙阶段、施工桥面阶段及拆架成桥阶段的截面应力，均满足最大应力小于200MPa要求，见图5～图8。
图5 最大悬臂阶段应力图
图6 合龙阶段应力图
图7 施工桥面阶段应力图
图8 拆架成桥阶段应力图
经计算，拱肋最大活载位移为0.17m 小于L/1600=402/600=0.67m，刚度满足要求。活载位移见图9。
图9 活载位移图
3.2 结构稳定性验算
为保证方案可行，进行了屈曲分析，结构最小稳定系数为17.3，大于普遍采用的稳定系数5，表明结构不会产生整体屈曲破坏，下面给出了四阶屈曲模态图形。
第一阶屈曲模态 第二阶屈曲模态
第三阶屈曲模态
第四阶屈曲模态
图10 四阶屈曲模态图
4 施工方案的选择
目前拱桥施工中常用的方法有缆索吊装法、悬臂拼装法、转体施工法和支架施工法，后二种施工方案在本工程中很难实施，因而本桥的施工只能采用前二种方及其组合方法。
缆索吊装法在国内拱桥的施工中采用较为普遍，如四川万县长江大桥（主跨420米）、武汉睛川大桥（主跨280米）、浙江省千岛湖南浦大桥（280米）等。采用悬臂拼装的项目有澳大利亚悉尼港大桥（主跨503米）、万州长江铁路桥。
另外，机场要求限高60m为影响本工程施工方案的关键控制因素。由于缆索吊装法的缆索、塔架、吊机等施工临时设施在施工全过程均超限，因此主桥采用悬臂拼装的施工工艺。
悬臂拼装法是通过设置在主拱悬臂端的轻型拼装吊机进行主拱杆件拼装，逐段拼装外伸，直到主拱合拢的施工方法。
在保证严格切线拼装的条件下，成桥的线形和内力将为按一次落架计算所得的线形和内力。为了拱肋的顺利合龙，需要反复改变边界条件和采取措施，施工过程存在多次体系转换。
悬臂拼装法施工方案主要有如下特点：
①、杆件均按设计体系温度下的无应力长度在工厂制造，斜拉扣挂悬拼安装，用高强螺栓连接。
②、施工期间可以通过调整支点位移实现桁拱和钢系杆跨中无应力合龙。即，不产生安装残余应力。
③、对钢材材质、加工进度、安装线形要求较高，施工工艺复杂，安全风险较大。
5 结语
本方案为大断面中承式钢箱坦拱桥，有别于常规拱桥，本方案中拱矢跨比较小，拱脚处产生较大的水平推力，两边跨端横梁之间的设置水平拉索，用以平衡这部分水平推力。计算验证了该桥的强度、刚度、稳定性均满足要求，本方案在高度受限地区适用，对其他工程有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.27-30
[2]TB10002.2-99.铁路桥梁钢结构设计规范[S].0
[3]宋晖.重庆菜园坝长江大桥中跨钢箱拱施工方法研究[D].中南大学，2007.
[4]孙蕊鑫.中承式钢箱拱肋系杆拱桥整体稳定研究[D].长安大学，2010.
关键词：钢箱坦拱桥；有限元；限高地区；结构设计
1 工程概况
拟建大桥区域地势较为平坦，南侧有现状大堤，北侧现状为驳船码头，两岸地面标高2.5m左右。江底标高最深为-9.2m左右，常水位水深10m以内，江面宽约390m。西北向约3km处存在某机场，该桥在机场限高60m（与机场的相对高程）的范围内。
根据现状，拟建大桥应同时满足主跨400m左右，通航净高24m以及结构限高60m三个基本条件，钢箱坦拱桥和矮塔斜拉桥是常规的适用桥型。但对于城市跨河桥梁而言，除满足交通功能外，还要重视景观要求，该桥上游已存在斜拉桥，为形成“一桥一景”的建设形态，选取中承式钢箱坦拱桥作为最终设计方案。
2 结构设计
本方案为大断面中承式钢箱坦拱桥。主跨跨径402m，矢高59.5m，中拱矢跨比f/L=6.756，拱轴线采用二次抛物线形，拱肋高5.0～9.0m；边拱矢高13.78m，拱轴线仍为二次抛物线形，拱肋高4.0～7.0m；拱肋均为工字形钢箱断面，横向宽度5.0m。加劲梁通过吊杆或立柱支承于拱肋上，梁高2.8m；加劲梁采用正交异性桥面板钢箱梁，中跨加劲梁为开口断面，两端通过滑动支座支承在中横梁上；边跨加劲梁为闭口断面，分别在中跨和边跨的拱梁交汇处与拱肋固结。全桥两边跨端横梁之间布置强大的水平拉索，以平衡中跨拱产生的水平推力。钢箱拱肋间设置箱形“一”字横撑，使其连成整体，形成稳定的结构体系，并提供强大的侧向抗弯刚度以抵抗横桥向的风荷载。总体布置见图1。
图1 桥梁总体布置图
（1）主拱
拱肋采用工字形钢箱断面，拱轴线按二次抛物线变化，单片拱肋横向宽度5.0m，拱肋高度为跨中向支点渐变，渐变范围为5.0～9.0m。拱肋钢板厚度为：顶板板厚30mm、底板板厚30mm～35mm、腹板采用2道25mm厚钢板；拱梁结合段位置适当加厚；拱肋加劲采用T形加劲肋。
（2）边拱
拱肋采用工字形钢箱断面，拱轴线按二次抛物线变化，单片拱肋横向宽度5.0m，拱肋高度为边支点向中支点渐变，渐变范围为4.0～7.0m。拱肋钢板厚度为：顶板板厚70mm～75mm，底板板厚65mm，腹板采用2道60mm厚钢板，系杆锚固处钢板进行局部加强，扩散锚固集中力。为避免边支点产生负反力，边拱中需灌注混凝土压重。
（3）加劲梁
桥梁主梁梁高为2.8m，中跨系梁为开口钢箱梁，即双主梁（带风嘴钢箱梁）+横梁结构体系，两端通过滑动支座支承在拱肋中横梁上，纵梁顶底板及腹板均采用16mm厚钢板，主纵梁之间设置横梁，横梁标准间距6m一道，与吊杆位置相对应处均设置横梁，横梁采用工字型断面，顶底板与腹板均采用20mm厚钢板，各片横向加劲梁之间设置纵向小纵梁，以利于横向加劲梁侧向稳定及支撑桥面汽车活载。边跨加劲梁为闭口断面，两端与拱肋、中横梁及端横梁刚结。
（4）风撑、立柱
中拱拱肋间设置7道风撑，风撑间距36m，风撑采用箱型断面，断面尺寸为3x3m。
边拱圈设置立柱以支持上部梁体，单片边拱设置2个立柱，分别位于边跨近跨中处和中支点处，立柱采用矩形断面，尺寸为3x3m。
（5）吊杆
吊杆拟采用1670级预应力平行钢丝，吊杆锚具采用专用可调节可更换吊杆锚具，系杆锚具采用冷铸镦头锚。上述材料技术成熟，应用广泛，施工及运营阶段安全有保障。吊杆间距采用12m，吊杆与拱肋在同一平面内。系杆锚固于边拱肋端部，布置在吊杆两侧，纵梁顶，方便检查维护。
（6）基础
根据宁波地质为软土地基的情况，本桥基础采用基础采用钻孔灌注桩，上接承台的形式，承台为工字形承台，外形尺寸（43.5x25.5x6）m，保持与常洪隧道坞墩结构净距约3m，承台不进入现状大堤堤顶（大堤局部坡脚位置在承台施工完成后再恢复），基础采用1.5m钻孔灌注桩，单片拱肋下桩基础按6排布置，每排4根。
边跨墩柱采用双柱式布置，横向布置两个矩形墩柱，间距29.5m。基础采用1.5m钻孔灌注桩，3排布置，每排3根。
3 结构计算
为验证方案的可行性，采用MIDAS程序，建立全桥的空间杆系模型，对该桥的强度、刚度和稳定性进行了验算，计算模型见图2。
图2 空间杆系模型
3.1 结构强度和刚度验算
经计算，在成桥阶段，钢箱主拱拱肋截面上缘最大应力78MPa，截面下缘最大应力88MPa；钢箱边拱拱肋上缘、下缘最大应力分别为176MPa、104MPa；主梁截面最大应力152Mpa。各构件最大应力均满足小于200MPa的要求。图3、图4为边拱拱肋应力图。
分别验算了最大悬臂阶段、合龙阶段、施工桥面阶段及拆架成桥阶段的截面应力，均满足最大应力小于200MPa要求，见图5～图8。
图5 最大悬臂阶段应力图
图6 合龙阶段应力图
图7 施工桥面阶段应力图
图8 拆架成桥阶段应力图
经计算，拱肋最大活载位移为0.17m 小于L/1600=402/600=0.67m，刚度满足要求。活载位移见图9。
图9 活载位移图
3.2 结构稳定性验算
为保证方案可行，进行了屈曲分析，结构最小稳定系数为17.3，大于普遍采用的稳定系数5，表明结构不会产生整体屈曲破坏，下面给出了四阶屈曲模态图形。
第一阶屈曲模态 第二阶屈曲模态
第三阶屈曲模态
第四阶屈曲模态
图10 四阶屈曲模态图
4 施工方案的选择
目前拱桥施工中常用的方法有缆索吊装法、悬臂拼装法、转体施工法和支架施工法，后二种施工方案在本工程中很难实施，因而本桥的施工只能采用前二种方及其组合方法。
缆索吊装法在国内拱桥的施工中采用较为普遍，如四川万县长江大桥（主跨420米）、武汉睛川大桥（主跨280米）、浙江省千岛湖南浦大桥（280米）等。采用悬臂拼装的项目有澳大利亚悉尼港大桥（主跨503米）、万州长江铁路桥。
另外，机场要求限高60m为影响本工程施工方案的关键控制因素。由于缆索吊装法的缆索、塔架、吊机等施工临时设施在施工全过程均超限，因此主桥采用悬臂拼装的施工工艺。
悬臂拼装法是通过设置在主拱悬臂端的轻型拼装吊机进行主拱杆件拼装，逐段拼装外伸，直到主拱合拢的施工方法。
在保证严格切线拼装的条件下，成桥的线形和内力将为按一次落架计算所得的线形和内力。为了拱肋的顺利合龙，需要反复改变边界条件和采取措施，施工过程存在多次体系转换。
悬臂拼装法施工方案主要有如下特点：
①、杆件均按设计体系温度下的无应力长度在工厂制造，斜拉扣挂悬拼安装，用高强螺栓连接。
②、施工期间可以通过调整支点位移实现桁拱和钢系杆跨中无应力合龙。即，不产生安装残余应力。
③、对钢材材质、加工进度、安装线形要求较高，施工工艺复杂，安全风险较大。
5 结语
本方案为大断面中承式钢箱坦拱桥，有别于常规拱桥，本方案中拱矢跨比较小，拱脚处产生较大的水平推力，两边跨端横梁之间的设置水平拉索，用以平衡这部分水平推力。计算验证了该桥的强度、刚度、稳定性均满足要求，本方案在高度受限地区适用，对其他工程有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.27-30
[2]TB10002.2-99.铁路桥梁钢结构设计规范[S].0
[3]宋晖.重庆菜园坝长江大桥中跨钢箱拱施工方法研究[D].中南大学，2007.
[4]孙蕊鑫.中承式钢箱拱肋系杆拱桥整体稳定研究[D].长安大学，2010.