蝶形钢结构桥设计及施工控制要点

摘要：蝶形钢管拱桥受力明确、合理，是一种值得进一步设计探索的桥梁形式。结合合肥市习友路景观桥的设计计算，介绍该桥型的设计要点、受力特点，以及施工方法，结合合肥市习友路景观桥施工过程施工要点以及关键工序的控制。并对未来进一步探索提出问题与建议。

关键词：钢管拱桥 蝶形桥 桥梁设计 施工控制

1. 工程背景

蝶形桥最早出现于英国贝德福德(Bedford)城的大奥斯(Great Ouse)河上，桥梁横跨在柳树成排且多草的河上，跨度30m。拱结构从两岸出发，向上倾斜构成向上张开的形状，看上去像蝴蝶的翅膀，与周围环境完美结合。

本工程为合肥市习友路教堂步行桥，建设地点位于合肥市习友路教堂东侧。人行天桥采用钢结构，跨度约32m，桥面结构为扁平曲线拱形钢箱梁，为控制桥身高度，将次梁与钢箱梁下翼缘齐平。桥面由两个向外侧倾斜45°呈抛物线形的钢管拱通过预应力索悬挂提供弹性支承点，改善桥面梁的受力，减小梁的跨中弯距和挠度，使之满足规范要求。同时，桥面梁较大的水平刚度和自重又为倾斜钢拱的平面外稳定提供了保证，能够阻止钢拱向外或向内倾覆。钢拱和桥面箱形钢梁互相支持，形成稳定的结构体系，使得整个桥体满足受力可靠、轻巧大方的建筑要求。

钢管拱直径为450mm，拱脚钢管内灌入混凝土，预应力索采用Ф5×19组成的平行钢丝束，通过专用的机具和锚具张拉施加必要的预应力。钢拱和桥面箱梁两端支承在河道两岸的墩台支座上。钢拱两端为固定支座，定位于桥墩台支座的下部；桥面钢箱梁考虑到避免共振，减少行人不安全感，设置为允许桥横向位移，约束纵向位移的铰支座，以使桥体上部结构竖向自振频率大于3 Hz，同时减小桥面与斜拱间的温度应力。

2. 钢结构设计及施工说明

2.1 一般说明

（1）全部尺寸均以毫米（mm）为单位，标高以米（m）为单位。

（2）本工程结构安全等级为二级；对应结构重要性系数为γ0=1.0。

（3）本工程的结构主体工程设计合理使用年限为50年。

（4）本工程图纸中注明的标高为建筑图确定的相对标高，本工程中±0.000相当于吴淞高程绝对标高42.000m。

2.2 设计荷载

在结构计算中考虑的荷载有：结构自重、桥面永久荷载、桥面可变荷载、风荷载、地震作用、结构升温和结构降温。荷载取值如下：

（1）桥面永久荷载：2.5 kN/m2；

（2）桥面可变荷载：4.5 kN/m2；

（3）基本风压：0.4 kN/m2；

（4）地震作用：地震设防烈度七度，设计基本加速度0.10g，抗振设防分组为第一组；

（5）温度作用：±25℃。

2.3 材料

（1）本工程主体结构（包括钢管拱、桥面主次梁，和支撑，以及与之相连的各种板件）钢材材质均为Q235B，对于销栓、拉索等特殊部分的钢材按图纸中注命的钢材型号选用，当采用其它牌号的钢材代换时须经设计同意，并提供材料的材性合格报告。

（2）Q235B钢其质量标准应符合我国现行国家标准《低合金结构钢》（GB1591-88），应具有屈服强度、抗拉极限强度，伸长率，冲击试验、冷弯试验和C、S、P含量的合格保证，钢材抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2，应有明显的屈服台阶，伸长率应大于20%，应具有良好的可焊性和合格的冲击韧性指标。

（3）一般圆钢管采用热扎无缝钢管，大直径（≥180）钢管优先用国产无缝钢管材，当供货困难时，可采用进口或国产高频焊接管，但必须提供相应的材料质保书，未经设计许可，不得进行任何材料代换。

（4）手工焊接用的焊条应符合现行国家标准《碳钢焊条》（GB/T5117）或《低合金钢焊条》（GB/T5118）的规定，Q235B钢材之间焊接的焊条为E43XX型。

（5）普通螺栓为C级螺栓，性能等级为4.8级。

（6）与钢管拱支座直接相连的地脚锚栓采用Q235B钢，其它地脚螺栓按图纸中的相关规定采用。

（7）受力螺栓除图纸中注明为普通螺栓外，均采用10.9级扭剪型高强度螺栓，直径详见施工图纸，其热处理的制作和技术要求应符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件》（GB3632）和（GB3633）中的规定。

（8）圆柱头栓钉性能应符合现行规范（GB10433），焊接过程中应设置瓷环保护。

（9）支座墩台混凝土等级为C30。

（10）桥面底层采用轧型钢板，上浇筑的混凝土强度等级为C30。

（11）钢管拱端部内灌的混凝土强度等级为C40。

2.4 钢管混凝土部分施工说明

（1）钢管混凝土部分的施工应首先进行钢构件的安装，确保就位正确后进行可靠连接，然后方可进行浇筑混凝土的施工。

（2）应首先安装与拱脚基础直接相连的钢管部分，待安装完毕后，浇筑混凝土至图纸给出的高度，然后再按图中的方法，进行下面钢管的钢管拼接过程。

（3）浇筑混凝土的过程中，应采用可靠的方法，确保混凝土浇筑的密实。

（4）待浇筑的混凝土达到设计强度后，方可进行预应力拉索与钢管拱和桥面的安装，以及预应力拉索张拉。

3. 钢结构设计过程

3.1 桥面主梁设计

（1）设计资料：

截面取600×300×10×12×12，钢材用Q235b。轴线长度，平面内计算长度；平面外计算长度。

（2）截面特性：

A＝220.8cm2 Ix＝96945.784cm4 Iy＝31825.6cm4 Wx＝3075.521cm3 Wy＝2121.707cm3 ix＝20.954cm iy＝12.006cm

（3）提取模型中的力：

N=216.5kN；Mx=193.62kN•m；My=-22.50kN•m。

（4）截面强度及整体稳定验算：

①强度验算：

②稳定验算：

③刚度验算：

满足。

3.2预应力索设计

此工程设计采用26根巨力集团生产的拉索系列中的5×19双护层缆索，钢丝束直径为25mm，双护层缆索直径为40mm，钢丝束截面积为373mm，钢丝束单位重量为2.9kg/m，标称破断荷载为623kN。经过计算在桥面钢结构施工完毕，且待钢管拱结构施工完毕，其内贯注灌注的混凝土达到设计强度，再进行拉索的安装和张拉。

为了分析拉索在各工况下的内力情况，设计时考虑了各组合下各索力的内力，以及部分索退出工作后其它各索的内力情况，以及施工阶段各索的受力情况及对结构的影响。

（1）承载能力极限状态。在按承载能力极限状态考虑荷载组合时，拱两端C1、C2号索（对应杆件编号5#、157#、158#、169#；159#、156#）在部分荷载组合下出现压应力而推出工作，为此将这8根索不考虑刚度但考虑自重再进行分析，发现剩余18根索在各荷载组合下均为受拉状态，且结构应力比和整体屈曲均满足要求。附件给出了18根索的内力情况。

（2）更换索或部分索断开。考虑实际应用中可能出现更换索的需要，为保证结构安全，考虑索力最大的C7号索两根断开的情况。模型将C7（7#、111#）不考虑自重及刚度进行分析，发现在C1、C2号索可能出现压应力而退出工作后，剩余索均受拉力，最大索力大153kN。结构的应力比和整体屈曲均满足要求。具体数值详见附件。

（3）不对称的索退出工作。为了分析在布索不对称情况下可能出现的不利结构受力状态，分别考虑了可能出现的桥面一端两侧C1、C2（156#、157#、158#、159#）四根索退出工作，桥面一侧两端C1、C2（5#、6#、156#、157#）四根索退出工作，以及桥面一端一侧C1、C2（156#和157#，或158#和159#）两根索退出工作后结构的整体屈曲和应力比情况。分析结果详见附件。结果均显示结构处于安全状态。

4 .钢管拱施工

4.1 钢筋的下料与弯曲

①主拱为抛物线，施工时应根据设备条件选择合理的弯管工艺，弯管成型后应满足以下技术要求：

钢管弯曲成型后的材料质量不得有明显的改变，仍能符合《合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的规定。钢管表面平滑过度，不得出现突变、折痕、表面凹凸不平等现象。钢管弯曲成型后的外径与设计外径的差值不得大于±2mm（直径＜300mm时，为1mm）及设计外径的0.5%中的较小值，壁厚与设计壁厚的差值不得大于±1mm及设计壁厚的10%的较小值。

②节点间的杆件下料长度应考虑焊接收缩量，其值可通过焊接工艺实验确定。

4.2支架搭设

由于拱肋支撑需要，需在拱肋相应的纵梁上方搭设支架，拱肋支墩由轮扣支架在桥面上搭设而成。连接支架不承受拱肋重量，方便作业人员进行安装拉索、拱肋涂装作业等。作业钢板直接焊接在支架顶部，钢板上部设有支撑拱肋钢板。

4.3主梁安装

根据施工现场条件先吊装南侧主梁，再吊装北侧主梁（两榀钢梁安装相同）。将单侧主梁４节现场二次组装成两段，对接焊缝检验合格后，采用两台２５吨汽车吊于桥东西两侧将二次组装钢梁（先东段后西段）起吊至设计安装要求位置进行空中合拢对接，先临时锚固钢梁支座螺栓，经定位测量调整及支座螺栓终拧后，由两名焊工采用自制悬挂操作平台，由钢梁腹板焊缝两面至下向上同时施焊，焊接完成自然冷却两至三小时后汽车吊可缓慢松钩卸装。

4.3次梁与支撑安装

主梁对接吊装完成后，由东向西依次安装次梁和支撑使桥面组成稳固整体。先进行次梁与次梁耳板焊接，再进行支撑与次梁焊接。

4.5钢管拱安装

①首先安装与拱脚基础直接相连的钢管部分，焊接主拱肋分节点对接接口，该焊缝是全桥的关键焊缝，而且是全位置焊接，因此采用自动或半自动焊接。焊后24h后进行超声波探伤和X射线探伤。拱肋钢管焊接完成后进行钢横撑的对称分布焊接。焊接完毕后对焊缝处进行打磨除锈，并按要求做好防腐涂装。焊接连接的注意事项：

钢结构的焊接应符合《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）。焊接作业前，对所用钢材、焊接材料、焊接方法、焊前预热和焊后热处理等进行焊接工艺评定，并根据评定报告确定焊接工艺。对进口钢材的焊接工艺评定，按我国国家行业的有关规定执行。

尽量采用工厂焊接并优先采用自动或半自动焊接；焊接顺序的选择应考虑焊接变形的因素，尽量采用对称焊接，焊接收缩量大的部位应先焊，焊接过程中要平衡加热，减小焊接变形和收缩。

钢管等空心构件的外露端口采用钢板作封头板，连续焊缝封闭，使内外空气隔绝，确保安装过程中构件内没有给水。

②焊缝质量等级：工厂坡口对接焊缝质量等级为一级，工地现场坡口对接焊缝质量等级为二级。其它焊缝质量等级为三级。钢管相贯线焊缝：主管与支管的连接焊缝为相贯线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过度。钢管对接焊缝：钢管对接采用全熔透、双面坡口对接焊缝等强连接，焊缝质量等级为一级。

4.6钢管混凝土浇筑

待与拱脚基础连接的钢管部分安装完毕后，首先确保钢管拱就位是否正确，确认后对钢拱进行可靠连接，支撑牢固，方可进行混凝土浇筑。施工过程中应采用可靠的方法，确保混凝土浇筑的密实性。管内混凝土灌注质量以超声波检测为主，人工敲击为辅的方法加以检测。待管内混凝土强度达到设计强度后，进行下面的钢管拼装直至钢拱合拢。

4.7拉索的安装、张拉

（1）施工机具及材料进场、堆放。根据索体制作设计说明通过直接扭紧调节套筒来拉直拉索，既配备相应专用张拉工具：SNB-1000 型数显扭矩扳手，张拉工具进场必须有合格证。拉杆进场时应分批验收，对质量证明书、包装、标志和规格等进行检查。

（2）拉杆安装。拉杆安装前制作挂篮一个，安装时，使用绳索栓住拉杆下面一端，另一端由两个安装人员在制作好的挂篮内通过一台25吨吊车吊直对应的耳板边，由两个安装人员对接上叉耳，销入柱销，完成后安装人员经吊车吊下，下叉耳在主梁边可直接安装，插入柱销，使其固定牢固。

4.8张拉步骤

（1）预应力索的张拉力值根据施工图中给出的索力确定，张拉施工分为两步进行，每一步进行两次循环：

00.5P：从钢管拱跨中向两端分别张拉到50%的总张拉值，每一侧由跨中向两端对称张拉，同时桥面两侧保持同步张拉；张拉到两端后，在由跨中向两端进行补张，弥补后张拉的索对先张拉的索造成的预应力损失，保证各索的索力达到50%的总张拉值。

0.51P：同上，保证各索的索力达到100%的设计索力。

（2）在整个预应力索张拉过程中要严格进行索力控制，保证索力达到预期值。

参考文献：

[1] 马丁•皮尔斯，理查德•乔布森．桥梁建筑[M]．大连：大连理工大学出版社，2003．

[2] 交通部公路规划设计院．公路桥隧设计规范汇编(2001版)[M]．人民交通出版社，2001．