一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥及其建造方法

摘要

本发明公开了一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥及其建造方法，所述超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥包括支撑结构、组合桥面以及拱肋结构，拱肋结构包括位于组合桥面中部的中拱肋以及两根分设于中拱肋两侧并朝外倾斜设置的边拱肋，中拱肋和边拱肋两端的拱脚均与组合桥面固接，且中拱肋的矢跨比为1/2.5～1/3.5，边拱肋的矢跨比为1/4.0～1/6.0；中拱肋与组合桥面之间通过若干根竖直吊杆连接，所述边拱肋的外侧与所述组合桥面的外侧之间通过若干根斜向设置的第一斜吊杆连接，所述边拱肋的内侧与其下方的组合桥面通过若干根斜向设置的第二斜吊杆连接。本发明具有结构轻巧美观、跨度大、桥宽较宽、受力合理、施工便捷快速的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及公路、市政桥梁工程技术领域，尤其涉及一种适用于跨河(跨江)的超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥及其建造方法。

背景技术

城市桥梁从功能要求而言，仅仅是连通的作用，但从美学效果而言，应是一座建筑艺术品。随着社会不断进步，城市桥梁的美学效应作为人文景观的重要组成部分，其美学意义逐步受到人们的重视。

城市跨河桥梁，通常需要同时满足防洪、通航、景观等要求，从而采用一跨过河的桥跨布置以满足各方的需求。同时城市跨河桥梁两侧道路路基高程一般不会太高，桥面高程会受到严格限制。因此综合桥梁跨径、桥梁高程、桥下净空、景观功能等各方面考虑，由于下承式拱桥桥型本身具有的曲线美，以及适中的跨径和较小的梁高而成为桥型方案的首选。

与公路、铁路相比，市政道路考虑到后期城市的可持续发展，在交通密集处通常采用更宽的道路断面形式，在城市主干路及快速路等路段通常采用40m～60m宽道路断面，甚至达到80～100m宽。因此，桥梁成为超宽桥面桥梁，过宽的桥梁断面使得桥梁横纵比例较常规桥梁偏大，用常规的拱桥会让整座桥呆板臃肿。

从受力角度考虑，通常拱桥断面多采用竖直拱肋或内倾式拱肋，为了维持稳定性，拱肋间通常设置横撑；城市桥梁由于对景观要求高，以上拱肋布置形式已经不能满足城市景观桥梁的要求。

传统下承式系杆拱桥在处理超宽桥面时通常采用以下方案解决：

桥面采用分幅设计，分成两幅甚至更多，每幅采用双片拱肋，拱肋可采用竖直型、内倾式等。

桥面采用整幅设计，采用三片拱肋或者更多，拱肋可采用竖直型、边拱内倾+中拱竖直型，此类拱肋设置通常要加中间横撑。

桥梁结构由于高程限制及造型需要，主梁通常采用结构较为轻巧的钢结构，桥面采用正交异性钢桥面板或钢混组合桥面。

以上处理拱桥超宽桥面的方案虽然目前应用较多，但也显示出其不足之处：

1、桥面分幅设计，造成拱肋过多，造价较高，景观性能差；

2、桥面整幅设计，造价降低，但拱肋间加横撑导致桥下空间局促，行人及车辆通过时压抑感强烈；

3、传统的正交异型钢桥面具有结构自重轻、施工快捷方便、承载能力大等优点，钢桥面系通常由正交异性钢桥面板与沥青混凝土铺装层组成。但在运营中，钢桥面系容易出现以下两种典型的病害问题：(1)正交异性钢桥面板疲劳开裂；(2)沥青混凝铺装层使用寿命偏短，易出现开裂、车辙、壅包等病害，须频繁维护。这些病害问题在国内桥梁中普遍存在，影响了桥梁结构的耐久性和行车舒适性，并增加了钢桥面的维护成本；普通钢混组合结构自重荷载大，对拱桥吊杆和拱肋等提出更高要求，造价也会提高。

发明内容

本发明针对上述现有的技术缺陷，提供一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥及其建造方法，具有结构轻巧美观、跨度大、桥宽较宽、受力合理、施工便捷快速的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥，包括支撑结构、设于所述支撑结构上的组合桥面以及设于所述组合桥面上的拱肋结构，所述拱肋结构包括位于所述组合桥面中部并竖直设置的中拱肋以及两根分设于所述中拱肋两侧并朝外倾斜设置的边拱肋，所述中拱肋和边拱肋两端的拱脚均设于支撑结构的上方并与所述组合桥面固接，且所述中拱肋的矢跨比为1/2.5～1/3.5，所述边拱肋的矢跨比为1/4.0～1/6.0；所述中拱肋与组合桥面之间通过若干根竖直吊杆连接，所述边拱肋的外侧与所述组合桥面的外侧之间通过若干根斜向设置的第一斜吊杆连接，所述边拱肋的内侧与其下方的组合桥面通过若干根斜向设置的第二斜吊杆连接。

进一步的，所述组合桥面由下往上依次包括设于所述支撑结构上的钢主梁、浇筑于钢主梁的顶板上的STC层和沥青磨耗层。

进一步的，所述中拱肋两端的拱脚均伸入到所述钢主梁内并通过焊接固定，所述边拱肋两端的拱脚与所述钢主梁的顶板之间均通过高强度螺栓固定。

进一步的，所述中拱肋和边拱肋的截面均为倒梯形截面，且所述中拱肋和边拱肋的截面尺寸由拱肋跨中向拱肋拱脚处逐渐加大。

进一步的，所述中拱肋和边拱肋均由多节连续的钢箱焊接组成。

进一步的，所述钢主梁为纵横梁结构，对应于拱脚和吊杆位置处的纵横梁均采用截面为箱型的结构，其余位置的纵横梁均采用截面为倒T型的结构。

进一步的，所述边拱肋与竖直面之间的夹角为15度。

进一步的，所述支撑结构包括框梁以及多个间隔设于框梁下方的支撑柱，所述支撑柱由上至下包括桥墩、桥梁承台及桩柱；所述框梁的上端设有用于支撑所述组合桥面的支座。

进一步的，相邻两根竖直吊杆的间距、相邻两根第一斜吊杆的间距以及相邻两根第二斜吊杆的间距均为5m，且所述第一斜吊杆和第二斜吊杆一一对应设置。

进一步的，所述组合桥面上还设有防撞墙。

本发明还提供了一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥的建造方法，包括以下步骤：

S1、按预定间隔距离修建两个呈左右对称的支撑结构；

S2、在两支撑结构上修建或吊装钢主梁；

S3、在钢主梁的横断面中间吊装竖直设置的中拱肋，中拱肋的两端分别位于两支撑结构的上方，且中拱肋的矢跨比为1/2.5～1/3.5；

S4、在钢主梁上吊装两根分别位于中拱肋两侧的边拱肋，两根边拱肋向外倾斜15度，且边拱肋的矢跨比为1/4.0～1/6.0；

S5、在中拱肋与钢主梁之间锚固若干根竖直吊杆，在两根边拱肋的内外侧与钢主梁之间分别锚固若干根斜向设置的第二斜吊杆和第一斜吊杆；

S6、在钢主梁的顶板上依次浇筑STC层和沥青磨耗层。

进一步的，所述中拱肋与边拱肋均由多节连续的钢箱组成，步骤S3和S4中，吊装中拱肋与边拱肋时，均采用分节段吊装架设并通过焊接固定；所述支撑结构包括框梁以及多个间隔设于框梁下方的支撑柱，所述支撑柱由上至下包括桥墩、桥梁承台及桩柱；所述框梁的上端设有用于支撑所述钢主梁的支座。

本发明具有以下有益效果：

1)采用高低不同的拱肋，力学性能好，造型变化丰富，且三根间隔开的拱肋组成的外形酷似蝴蝶，又似含苞欲放的花尖，配合以夜景照明，可形成地标建筑。

2)采用三根拱肋，尽可能减少拱肋数量，可大幅降低造价，从景观角度出发，边拱肋外倾，可以提供开敞的视野和舒适的行车空间，能营造强烈的空间感受。

3)采用了超高性能轻型组合桥面结构，该结构由钢主梁的顶板、超高韧性混凝土和沥青磨耗层组合而成，具有局部刚度大、耐久性能好等优点，综合解决正交异性钢桥面板固有的典型病害问题，提高了钢桥面的耐久性，降低了钢桥的运营维护成本，减少了钢桥面维护引起的交通阻断。

4)钢主梁采用纵横梁结构，主梁高度较小，抗震及抗风问题影响较小。

5)整体结构外形优美时尚，加之桥梁两侧外挑的观景台，视觉效果突出，能明显提升城市形象，有较高辨识度，地标效应突出；还具有结构轻巧美观、跨度大、桥宽较宽、受力合理、施工便捷快速的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为实施例中轻型组合桥面异型拱桥的立面示意图；

图2为实施例中轻型组合桥面异型拱桥的俯面示意图；

图3为实施例中轻型组合桥面异型拱桥的横断面示意图；

图4为实施例中组合桥面的局部断面示意图；

图5为实施例中的中拱肋和边拱肋的截面示意图；

图6为实施例中在钢主梁上采用箱型结构和倒T型结构的局部截面示意图。

具体实施方式

为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明。

实施例1

如图1-6所示，本实施例所示的一种单跨116m的敞开式空间五索面倾斜拱肋的轻型组合桥面异型拱桥，包括左右对应设置的支撑结构、设于两支撑结构上的组合桥面以及设于组合桥面上的拱肋结构，其中组合桥面由下往上依次包括设于支撑结构上的钢主梁1、浇筑于钢主梁1的顶板11上的STC层12和沥青磨耗层13，STC层即为超高韧性混凝土层，STC层的厚度为50mm，沥青磨耗层的厚度为40mm；钢主梁1采用整体式的纵横梁结构，其标准宽度80m(即顶板宽度)，在钢主梁的上下游两侧中部均各加宽4.0m，作为观景台14，钢主梁上的横梁底板水平，各纵梁等高，顶板11由中间向两侧横向倾斜形成1.5％的双向横坡，钢主梁的最小梁高1.2m，最大梁高为1.80m。

本实施例中，拱肋结构包括位于组合桥面中部并竖直设置的中拱肋21以及两根分设于中拱肋21两侧并朝外倾斜15度设置的边拱肋22，根据桥梁的跨度L＝116m，设计中拱肋21的矢高为38m，中拱肋21的拱轴线采用二次抛物线，设计边拱肋22的矢高为23.5m，边拱肋22斜拱平面内的拱轴线采用二次抛物线，从而使中拱肋21的矢跨比为1/3.05，边拱肋22的矢跨比为1/4.936，中拱肋21和边拱肋22两端的拱脚均设于支撑结构的上方并与钢主梁固接，利用支撑结构对拱肋的拱脚进行支撑，且三根拱肋形成中间高两侧低的结构，其外形酷似蝴蝶，又似含苞欲放的花尖。

具体的，从减少风阻和美观性考虑，中拱肋21采用截面为倒梯形截面的变截面钢箱拱肋，即为倒梯形的箱型结构，中拱肋的箱高1.6～2.2m，箱顶宽2.0～3.0m，箱底宽1.6～2.45m，且根据拱肋受力规律，中拱肋21的截面尺寸由拱肋跨中向拱肋拱脚处逐渐加大，该钢箱的顶板和底板的厚度均为20mm，两侧腹板的厚度为16mm。

具体的，从减少风阻和美观性考虑，边拱肋22采用截面为倒梯形截面的变截面钢箱拱肋，即为倒梯形的箱型结构，边拱肋的箱高2.0～3.0m，箱顶宽2.0～3.0m，箱底宽1.6～2.4m，且根据拱肋受力规律，边拱肋22的截面尺寸由拱肋跨中向拱肋拱脚处逐渐加大，该钢箱的顶板、底板和两侧腹板的厚度均为40mm。

具体的，中拱肋21与钢主梁1之间通过20根间距为5m的竖直吊杆31连接，边拱肋22的外侧与钢主梁1的外侧之间通过20根斜向设置且间距为5m的第一斜吊杆32连接，边拱肋22的内侧与其下方的钢主梁1通过20根斜向设置且间距为5m的第二斜吊杆33连接，即边拱肋两侧的斜吊杆共20对并左右一一对应设置，实现两侧的受力均衡性，在边拱肋的内外侧分别设置朝内外倾斜的吊杆，用于平衡边拱肋的横向受力，提高其的结构可靠性和整体稳定性；其中，竖直吊杆采用φ5-73型高强低松弛镀锌平行钢丝束，第一斜吊杆采用φ5-55型高强低松弛镀锌平行钢丝束，第二斜吊杆采用φ7-127型高强低松弛镀锌平行钢丝束，上述高强低松弛镀锌平行钢丝束的索体采用PES(FD)低应力防腐索体，并外包不锈钢防护套。

具体的，竖直吊杆31的上端采用耳板式锚固结构固定于中拱肋的拱箱内弧面中间，竖直吊杆31的下端采用耳板式锚固结构固定于钢主梁的顶板11上；第一斜吊杆32和第二斜吊杆33的上端采用耳板式锚固结构固定于边拱肋的拱箱内弧面中间，第一斜吊杆32和第二斜吊杆33的下端采用耳板式锚固结构固定于钢主梁的顶板11上。

具体的，中拱肋21两端的拱脚均伸入到钢主梁1内并通过焊接固定，边拱肋22两端的拱脚与钢主梁1的顶板11之间均通过高强度螺栓固定。

本实施例中，中拱肋21和边拱肋22均由多节连续的钢箱焊接组成，便于后期三根拱肋的吊装组装。

具体的，钢主梁1的标准梁段每隔2.5m设一道横隔板，其中与吊杆和拱脚对应的横隔板采用箱型结构，利用箱型结构以承受拱脚拉力和满足吊杆下集中力，且对应于拱脚和吊杆位置处的纵横梁均采用截面为箱型的结构，而在其余位置的纵横梁均采用截面为倒T型的结构。

本实施例中，支撑结构包括沿桥梁宽度延伸设置的框梁10以及多个前后间隔设于框梁10下方的支撑柱，每一个支撑柱由上至下包括桥墩5、桥梁承台6及桩柱7，在框梁10的上端设有多个用于支撑钢主梁1的支座4；其中桥梁承台62及桩柱63均位于河床线以下，且桩柱伸入地面以下。

本实施例中，在组合桥面上还设有防撞墙8。

本实施例中，图1中钢主梁两侧的延伸线为河堤线。

本发明的其它实施例中，还可在钢主梁的顶板上固定连接有若干纵横布置的栓钉，栓钉设置在STC层内，用于提高顶板和STC层两者间的结合力。

本发明的其它实施例中，还可根据实际情况(即其它实际尺寸的桥长跨度和桥宽)，将中拱肋的矢跨比设计为1/2.5～1/3.5，边拱肋的矢跨比设计为1/4.0～1/6.0。

本发明的其它实施例中，边拱肋与竖直平面之间的夹角还可以设计为10～20°。

实施例2

本实施例所示的一种超宽桥面敞开式轻型组合桥面异型拱桥的建造方法，用于修建实施例1所述的轻型组合桥面异型拱桥，具体包括以下步骤：

a、按116m的间隔距离修建两个呈左右对称的支撑结构，支撑结构包括框梁以及多个前后间隔设于框梁下方的支撑柱，每一个支撑柱由上至下包括桥墩、桥梁承台及桩柱；具体的，首先采用插打钢护筒搭设施工平台进行桩柱的施工，而后采用钢板桩围堰施工桩柱上的桥梁承台、桥墩和框梁，最后在框梁上放置支座。

b、而后在两支撑结构上修建或吊装主梁；具体的，先搭设水中临时支墩，再采用吊装的方式将分段预制好的钢主梁运输至桥位处并吊装至临时支墩和支撑结构上，形成连续的钢主梁，然后在临时支墩上焊连成整体。

其中钢主梁采用整体式的纵横梁结构，其标准宽度80m(即顶板宽度)，在钢主梁的上下游两侧中部均各加宽4.0m，作为观景台，钢主梁上的横梁底板水平，各纵梁等高，顶板由中间向两侧横向倾斜形成1.5％的双向横坡，钢主梁的最小梁高1.2m，最大梁高为1.80m；并在钢主梁的标准梁段每隔2.5m设一道横隔板，其中与吊杆和拱脚对应的横隔板采用箱型结构，利用箱型结构以承受拱脚拉力和满足吊杆下集中力，且对应于拱脚和吊杆位置处的纵横梁均采用截面为箱型的结构，而在其余位置的纵横梁均采用截面为倒T型的结构。

c、先在钢主梁上搭设用于支撑拱肋结构的临时支架，在钢主梁的横断面中间吊装竖直设置的中拱肋以及在中拱肋的两侧分别吊装一根向外倾斜设置的边拱肋，中拱肋和边拱肋的两端分别位于两支撑结构的上方，中拱肋的矢跨比为1/2.5～1/3.5，边拱肋的矢跨比为1/4.0～1/6.0，且边拱肋向外倾斜的角度为15度，即边拱肋与竖直面之间的夹角为15度。

对于城市中的江河溪流，往往水深较浅，不具备使用大型浮吊设备的条件，从而将中拱肋和边拱肋均设计为由多节连续的钢箱组成，方便中型或小型的浮吊设备进行吊装；吊装时，由两端拱脚处向拱顶逐步吊装架设，待每个拱肋的全部钢箱吊装架设就位并调整好线形后进行对位焊接，焊接顺序为由拱顶向两端拱脚同时对称进行；且中拱肋两端的拱脚均伸入到钢主梁内并通过焊接固定，边拱肋两端的拱脚与钢主梁的顶板之间均通过高强度螺栓固定。

其中，根据桥梁的跨度L＝116m，设计中拱肋的矢高为38m，中拱肋的拱轴线采用二次抛物线，设计边拱肋的矢高为23.5m，边拱肋斜拱平面内的拱轴线采用二次抛物线，从而使中拱肋的矢跨比为1/3.05，边拱肋的矢跨比为1/4.936；另外从减少风阻和美观性考虑，中拱肋和边拱肋均采用截面为倒梯形截面的变截面钢箱拱肋，即为倒梯形的箱型结构，中拱肋的箱高1.6～2.2m，箱顶宽2.0～3.0m，箱底宽1.6～2.45m，中拱肋钢箱的顶板和底板的厚度均为20mm，两侧腹板的厚度为16mm；边拱肋的箱高2.0～3.0m，箱顶宽2.0～3.0m，箱底宽1.6～2.4m，边拱肋钢箱的顶板、底板和两侧腹板的厚度均为40mm；且根据拱肋受力规律，中拱肋和边拱肋的截面尺寸由拱肋跨中向拱肋拱脚处逐渐加大。

d、在中拱肋与钢主梁之间以等间距5m的间隔锚固20根竖直吊杆，在两根边拱肋的内外侧与钢主梁之间以等间距5m的间隔分别锚固20根斜向设置的第二斜吊杆和第一斜吊杆，两侧的斜吊杆一一对应设置，其中竖直吊杆和斜吊杆均采用高强低松弛镀锌平行钢丝束，拱肋处为固定端，钢主梁处为张拉端，固定端采用耳板式锚固结构固定于拱肋的拱箱内弧面中间，张拉端采用耳板式锚固结构固定于钢主梁的顶板上，调整好吊杆力后拆除临时支架。

e、先在钢主梁的顶板11上焊接若干栓钉，而后在钢主梁的顶板上依次浇筑50mm厚的STC层和40mm厚的沥青磨耗层，形成组合桥面。

f、在组合桥面上安装防撞墙及桥边栏杆等附属设施，以将组合桥面分割成机动车道、非机动车道和人行道等，最后拆除水中临时支墩。

本发明的其它实施例中，还可根据实际情况(即其它实际尺寸的桥长跨度和桥宽)，将中拱肋的矢跨比设计为1/2.5～1/3.5，边拱肋的矢跨比设计为1/4.0～1/6.0。

本发明的其它实施例中，边拱肋与竖直平面之间的夹角还可以设计为10～20°。

以上对本发明实施例所提供的术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。