一、衔接桥方案
我国海南岛琼州海峡的海水深度较大,单纯采用桥梁和隧道形式都有很大的困难。采用设主、付通航孔的<<便航式跨海浮桥>>方案,主、付通航孔采用大跨径桥梁或潜浮隧道相结合的形式,则困难较小,比较合理和实用。浮桥因为受潮汐水位变化的影响很大,需要随时自动变化调节较大的路线纵坡,才能与桥梁或潜浮隧道相衔接。琼州海峡的潮汐水位变化高达3.60m,最大波浪高度3.30m,潜浮隧道的进、出口应在浪高以上,需要较大的长度才能调节纵坡。采用80m长度的衔接桥与浮桥端部100m长度设坡度相配合,利用浮桥端部浮船作衔接桥的一端桥台,将端部浮船加宽和吃水加深即可解决。
我国钢管砼拱桥的应用,已经获得了很大的发展,80m的跨径施工比较简便,外形简洁美观,造价经济合理。钢管砼这种组合材料,很适合施工和使用。圆形钢管是很合理的受力形式,具有发挥轴向受压和环向受拉力的双向作用,砼处于三向受力状态,材料的组合强度高。砼对钢管起到稳定作用,使钢管的强度能够充分发挥。钢管的环向紧箍力,对砼的横向变形起紧箍作用,砼不易发生开裂破坏,提高了承载力,结构的韧性好。钢管砼具有两种材料的性能,发挥了两种材料的特点,砼已由脆性破坏转变为塑性破坏,可按极限状态设计。但是,钢管有锈蚀的缺点,防护麻烦。现在采用的防护方式属于临时性质,简单的油漆防护为几年时间;热喷锌、鋁能维持25年时间,但是防护费用很高。采用钢管砼作劲性骨架,然后外包钢筋砼,将这种外包钢筋砼与钢管砼的结合称作复合(俗称组合)。复合钢管砼是两种以上材料按一定的规则组合成整体受力,实际是一种复合材料。
在钢管砼拱桥的应用中,钢管砼的计算方法是以试验为基础的经验公式,反映为综合的砼名义强度,只适用于单根钢管截面,物理概念不直观,使用不方便和受到限制。复合钢管砼采用分离计算方法,分别按不同材料的计算方法和强度安全系数,计算不同组合材料的强度,按加载组合规则作简单叠加。故复合钢管砼的计算方法简便直观,施工方便,耐久性能好。复合钢管砼是钢管砼应用的发展,复合钢管砼系杆拱桥作衔接桥是很合理的桥型。所指的系杆拱桥是外部静定的简支体系,实际是梁式结构,属于拱梁组合体系。拱梁组合体系有刚拱刚性梁、刚拱柔性梁和柔拱刚性梁之分,刚拱刚性梁施工简单方便,适用于复合钢管砼系杆拱桥。
二、复合钢管砼系杆拱桥
1、 原理:外部静定的简支系杆拱桥是拱梁组合的梁式体系,拱肋的刚度大,以压弯的形式作功。系杆梁平衡拱的水平推力和拱脚弯矩,承担和传递局部荷载,通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。拱梁组合体系的矢高大,优于实腹和桁架梁,是优秀的结构形式。采用复合钢管砼材料,分期加载逐步形成,方便施工架设,是很实用的桥型。
2、 桥型:由于道路很宽,适合作成左右分幅的两座独立桥梁,以利于横梁的设计,受力简单明确,便于施工架设。拱肋矢跨比为1/5,使系杆拉力比较合理。
3、构造:
⑴拱肋:采用复合钢管砼矩形等截面100x180cm,16Mn钢管Ø750x10mm,为二管双肢格构形,以简化拱肋钢管的焊接加工。外包复合钢筋砼采用Ø12箍筋,能够使拱肋形成整体截面。拱肋、系杆、横撑、端横梁钢管和吊杆在码头上组装好,采用浮船运输和500吨大型浮吊安装。以后在钢管内泵压砼,立模浇灌外包钢筋砼。再安装横梁和桥面板,作防撞护栏和桥面铺装。
⑵系杆:系杆的主要作用是平衡拱肋推力和拱脚弯矩,也承担和传递局部荷载,通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。桥面重量基本上由吊杆直接承受,系杆刚度可以较小。它的刚度仅端部5m加大,中部较小,实际是柔性的。系杆中部截面为100x100cm,端部局部5m长度加高为100x180 cm,采用单根钢管为Ø750x10mm。系杆预应力索布置在钢管内的塑料管中,按拱的推力平衡阶段需要进行张拉和压浆处理。
⑶横撑:采用16Mn空钢管Ø750x10mm作横撑,对称设置5根,以减轻自重。可仅在横撑钢管两端局部1m内灌筑砼,以加大节点的刚度。钢管采用3 cm厚度的钢筋和钢丝网水泥砂浆作防护,人工施工也方便。钢丝网水泥砂浆的防裂性能好,水泥船的成功应用即先例,是钢铁锈蚀防护的简便和实用措施。
⑷横梁:横梁采用预应力砼T形梁,设置间距为5m,横梁与吊杆位置错开,两端设牛腿支承在系杆上,并与纵梁相固结。横梁的荷载和内力很大,T形梁的上翼缘可设双根钢管,利用复合钢管砼作受压。横梁为预应力砼T形梁,其自重较大,采用浮运和浮吊安装。
⑸端横梁:端横梁断面与拱肋同为100x180cm,以加强拱肋的整体性,便于整体吊装。两端加大节点刚度,将拱肋联结为空间刚架,保持稳定,便于支座的安装。
⑹吊杆:吊杆直接吊系杆,有竖直和傾斜两种形式。竖直吊杆计算和调整简便,傾斜吊杆对拱肋的稳定作用大,但是吊杆的计算和调整麻烦。拱肋的刚度很大时,采用竖直吊杆亦可。吊杆采用Ø7镀锌预应力钢丝,镦头锚固和不锈钢管防护。镦头对钢丝有损伤,对锚头应采用环氧树脂粘结和封固防锈。吊杆作用极端重要,钢丝应留有足够大的安全度。拱梁体系的系杆拱为外部净定和内超净定,吊杆和拱肋的变形对吊杆内力变化有较大影响,故吊杆的内力必须张拉调整到设计值。
⑺桥面板:采用预制钢筋砼槽形板,其自重轻,刚度较大,便于安装。在炎热高温地区,槽形板顶面应预埋适当的锚固钢筋,加强与桥面铺装砼的结合。
⑻防撞护栏:外侧钢筋砼防撞护栏加高至120cm,确保海上行车的安全。
⑼桥面:桥面预制板上作10 cm砼整体化现浇层,采用沥青砼桥面铺装,便于养护。
⑽支座:采用大型盆式橡胶支座。
⑾伸缩缝:采用标准型钢伸缩缝。
⑿桥台:浮桥的端部作系杆拱桥台,浮船的大小和吃水深度,由复合钢管砼系杆拱衔接桥半孔的重量而定。可加大浮船的吃水深度,增加承载能力和稳定性。由于桥梁支座压力集中,浮船桁架需要加密和加强。采用网架形式的板桁结构,纵、横方向的刚度都大。桥台支座承台应采用刚度很大的钢骨砼格梁,以分散支座集中力。系杆拱它端桥台,为隧道出口或桥墩。