0 引言

预应力混凝土连续刚构桥和上承式钢筋混凝土拱桥都是山区建设环境适宜选用的桥型^[1-2]。预应力混凝土连续刚构桥采用墩梁固结免除了在主墩处设置大吨位支座，主梁结构连续，具有内力分布较为合理、行车平顺、施工简单易行、运营维护工作量小、经济造价指标不高等特点^[3]。由于大跨径预应力混凝土连续刚构桥普遍存在主跨下挠及梁体开裂等缺陷^[4-9]，使该桥型主要适用于主孔跨径≤200 m的情况^[10-11]。大跨径上承式钢筋混凝土拱桥因造价经济、形式优美而广泛应用于山岭重丘建设环境^[12-13]。然而，其拱脚产生巨大推力需桥位地形地貌和地质情况适合时才能被采用。因此，传统单一的结构体系在特定条件下存在适用局限性。

组合结构体系是将两个及以上传统、经典的结构体系相互结合，形成受力机理相对更复杂但结构性能更优良的新体系。相较于传统的经典但单一的桥梁结构体系，组合结构体系桥梁可以充分发挥传统的经典桥梁结构的优点。梁拱组合结构体系桥梁是组合结构典型代表，按拱相对于主梁沿高度方向的位置可分为上承式、中承式和下承式。针对大跨径中承式和下承式梁拱组合桥，国内外学者已开展了广泛、深入的研究并且广泛实践。然而，有关大跨径上承式梁拱组合桥的相关研究和工程实践较少。据调查，在2021年之前，国内建成的该类桥型主跨均未超过100 m。因此，基于将基本结构体系进行组合的设计理念^[14-15]，在使用常规建桥材料和基于现行桥梁设计规范基础上，研究并设计一种跨越能力强、受力性能好、经济造价指标适中，能适应山区地形的新型大跨径上承空腹式梁拱组合刚构桥并运用于工程实践，具有创新价值和意义。

鉴于此，本研究首先对大跨径上承空腹式梁拱组合刚构桥的结构体系和力学特征进行了分析，然后采用有限元分析方法对该桥型的主要结构参数、合理成桥状态、拱梁汇合段构造、梁拱倒三角区施工，以及临时扣索的合理拆除时机等设计关键技术开展研究，最后以重庆礼嘉嘉陵江大桥为工程背景，对相同条件下的上承空腹式梁拱组合刚构桥与连续刚构桥进行了综合性能对比，以证明该桥型所具有的优势，希望为此类新型桥梁的设计和建造提供借鉴。

1 结构体系、外观造型和力学特征

上承空腹式梁拱组合刚构桥是一种在空腹式预应力混凝土连续刚构桥^[16]的基础上进行改进，将常规预应力混凝土连续刚构和上承式钢筋混凝土拱桥进行结构体系组合，形成能充分发挥连续刚构桥和上承式拱桥各自力学优点的新型桥梁。典型的3跨上承空腹式梁拱组合刚构桥结构组成见图 1。

该桥型由主墩、梁拱倒三角区段上弦梁和下弦拱、拱梁汇合段、边跨常规梁段、边跨合龙段、中跨常规梁段、中跨合龙段组成。梁拱倒三角区段上弦梁、下弦拱与主墩之间固结，下弦拱和上弦梁通过拱梁汇合段交汇结合形成一体，并沿主墩中心线对称布置。边跨常规梁段端部底缘与边墩或桥台之间设活动支座。

该桥型外观造型上桥面平顺笔直，主跨和边跨常规梁段底缘、拱梁汇合段梁底缘与梁拱倒三角区段下弦拱底缘线形一致，立面呈拱形。

受力特征上，上承空腹式梁拱组合刚构桥可以理解为是将常规大跨度变截面预应力混凝土连续刚构的主梁根部梁高进行大幅度加高，然后去除了腹板受力低效区域以达到减轻自重、提高结构效率、增强桥梁的跨越能力，以及克服大跨径常规连续刚构桥跨中下挠和梁体开裂问题的目的。该桥型由主墩、上弦梁和下弦拱共同形成稳定的倒三角框架，利用下弦拱辅助主梁受力，显著减小了中跨和边跨主梁的计算跨径，使主梁弯矩和剪力大幅降低，力学性能得以显著提升；其中，下弦拱为压弯结构而上弦梁为拉弯结构。上弦梁作为下弦拱的刚性系杆，由设置于上弦梁内的纵向预应力钢束平衡下弦拱产生的水平推力，使主墩两侧下弦拱的压力和上弦梁的拉力相互抵消，形成“无推力、自平衡”的受力体系。

2 结构设计要点 2.1 主要结构参数

文献[17]研究表明，上承空腹式梁拱组合刚构桥的主要结构参数对该桥型结构安全性、合理性和经济性具有重要影响并相互关联。本研究以设定主孔跨径分别为L₀=220，250，280 m的上承空腹式梁拱组合刚构桥为例，利用三维建模软件Rhino的插件Grasshopper建立参数化模型，导出几何数据与Midas Civil有限元模型进行联动并进行结构分析。通过计算得到结构各构件的内力、应力、活载挠度、长期收缩徐变挠度、自振频率等计算结果，然后采用正交试验法确定主要结构参数建议取值范围。其中，主要结构参数正交试验是在满足结构性能要求前提下，以工程建安费为优化目标找寻结构关键参数的合理取值规律。

上述研究表明：下弦拱矢跨比、边跨常规梁段长度与边跨跨径之比、中跨常规梁段长度与中跨跨径之比是影响结构受力的3个关键因素。为保证恒载作用下边跨下弦拱与中跨下弦拱的水平推力能相互抵消，同时保证边墩活动支座在最不利荷载组合下不出现脱空现象，边、中跨的比例宜控制在0.55~0.65之间。中跨常规梁段长度与主跨跨径之比宜为0.45~0.5。梁拱三角区段下弦拱底与拱梁汇合段、常规梁段底均宜采用同一个幂次曲线，梁底曲线幂次的宜取2.0~2.5之间。关键结构参数取值如表 1所示，参数示意见图 2。

2.2 下弦拱和主墩设计

下弦拱采用单室或多室箱形截面，其外轮廓宽度与上弦梁、拱梁汇合段、常规梁段腹板外轮廓对齐。下弦拱可按小偏心受压构件设计，设计时需控制其施工阶段各截面的应力变化幅度，充分考虑施工过程和成桥以后受力状态的差异。作为将上部结构荷载传递至基础的构件，上承空腹式梁拱组合刚构桥的主墩一方面要满足荷载组合作用下强度、刚度和稳定性的要求，并且能抵抗温度和汽车、人群活载等可变荷载作用下，中跨和边跨下弦拱拱脚之间的水平推力差值，通常采用具有较大抗弯刚度的空心薄壁桥墩；另一方面需要一定的柔度以减小由于预应力效应、混凝土收缩徐变和温度变化引起的次内力。根据本研究第2.1节主要结构参数分析，主墩高度与主孔跨径之比宜在0.3~0.4之间，梁拱倒三角区段高度与主墩高度之比宜在0.4~0.45之间。

2.3 主梁结构和预应力配束设计

上承空腹式梁拱组合刚构桥的梁拱倒三角区段上弦梁及汇合后的常规梁段主梁通常采用竖直腹板、顶板带翼缘的单箱单室或单箱多室截面。

为满足受力需要和保证混凝土结构抗裂性能，该桥型主梁宜采用三向预应力体系。梁拱倒三角区段上弦梁、梁拱汇合段、常规梁段纵向预应力按受力特点进行配束并满足全预应力混凝土构件要求；横桥向可根据主梁翼缘悬臂长度和腹板间距的情况，选择在顶板配置横向预应力并满足预应力混凝土A类构件要求。为确保主梁腹板的抗裂性，可配设腹板束并在各悬臂节段腹板端部下弯锚固，以改善腹板的主拉应力。亦可设置竖向预应力束并采用可二次复拉的低松弛回弹锚具以增加安全储备。梁拱汇合段、墩梁固接段0号块等部位均可通过建立有限元实体单元模型，开展应力分析和进行纵、横、竖向预应力的合理配束设计。该桥型主梁纵向预应力钢束布置见图 3。

该桥型梁拱倒三角区上弦梁和下弦拱分为了两肢，上弦梁与下弦梁汇合点距主墩距离较长，与大跨径连续刚构桥采用整体箱梁在抗剪扭特性上存在较大差异，因此需要关注偏载下的弯剪扭耦合作用下的力学性能。设计中可建立实体单元有限元模型考察其弯剪扭耦合效应。

3 设计关键技术 3.1 合理成桥状态

合理成桥状态是保证上承空腹式梁拱组合刚构桥安全性、经济性和耐久性的关键因素。该桥型的合理成桥状态需要考虑混凝土收缩徐变、温度效应、施工方案、施工误差和结构体系形成过程等因素，需要让各构件和区域处于恰当的轴压和弯曲状态，并能有效抑制桥梁在自重、预加力、混凝土收缩徐变等长期荷载下的变形。

上承空腹式梁拱组合刚构桥合理成桥状态确定方法可通过建立有限元模型并采用正装迭代法计算分析，通过准确模拟施工阶段受力状态，分析影响强度、刚度和线形的技术参数是否满足评判指标的目标限值。

最优合理成桥状态的确定主要通过考察墩梁固结段(A主控点)、拱梁汇合段(B主控点)、主跨跨中(C主控点)、拱墩结合段(D主控点)、主墩墩底(E主控点)这5个关键控制点(见图 4)的内力。

在设计中，通过主动调整，使各关键截面的弯矩、剪力相等或相近，可让结构的内力分配更趋合理，以有利于结构构件设计，达到减少构件尺寸、减少材料用量和减轻自重的目的。该桥型合理成桥状态关键控制指标和目标范围如表 2所示。

可先采用有限元模型模拟结构体系施工阶段，再查看成桥状态计算结果，判断上述5个关键控制点的强度参数计算结果是否满足表 2所示评判指标的目标范围，如不符合，对结构截面尺寸、梁拱倒三角区段长度、下弦拱和梁底曲线幂次、矢跨比等设计参数进行调整；如符合，进行成桥运营阶段关键刚度参数指标评判。然后再查看成桥运营阶段计算结果，判断关键刚度参数的计算结果是否满足刚度评判指标的目标限制，如不符合，再对结构尺寸和设计计算参数进行调整。通过不断调整、迭代和优化，直至找寻到合理成桥状态的最优解。

3.2 拱梁汇合段构造

拱梁汇合段为应力扰动区，受力复杂，是上承空腹式梁拱组合刚构桥设计和施工均需关注的重要节点。上承空腹式梁拱组合刚构桥的拱梁汇合段在恒载作用下最大主拉和主压应力流见图 5。

拱梁汇合段的顶板、底板分别与相邻上弦梁和常规梁段的顶板、底板保持连续，可实现平顺的传力；拱梁汇合段的腹板存在分岔，可采用适当增加腹板厚度，并采用预应力钢束下弯锚固并配设竖向预应力钢束，以控制交汇区域的主拉应力。而上弦梁底板与下弦拱顶板则会在拱梁汇合段内实现交汇，将其轴向力转换为剪力并使之匀顺传递至拱梁汇合段腹板，则是该构造设计的关键。

国内已建或在建的空腹式预应力混凝土连续刚构桥的上弦底板与下弦顶板交汇多采用X形叉板构造形式。此构造虽可以通过分岔的叉板构造将剪力分散传递至腹板，但与空腹式预应力混凝土刚构桥相比，上承空腹式梁拱组合刚构桥的下弦拱与上弦梁之间的交汇夹角相对较小，难以有效地通过分岔叉板构造分散剪力传递。另外在施工方面，X形叉板构造形式存在施工空间狭小的区域, 会导致混凝土浇注和振捣质量难以控制，故该桥型不适合采用X形叉板构造。

综合考虑传力效果和施工质量控制的难易程度，下弦拱顶板与上弦梁底板的交汇构造采用A字形更适用于上承空腹式梁拱组合刚构桥的拱梁汇合段(见图 6)。为了限制拱梁汇合段扭转畸变，需设置横隔板。通过综合比较横隔板设置于水平隔板截停后的相邻节段构造A(如图 6(a)所示)和水平隔板穿过横隔板形成十字交叉的构造B(如图 6(b)所示)。结果表明：在应力分布上，上述两种构造的最大拉应力峰值水平相当，但构造B的横隔板会在水平力作用下产生面外变形，造成局部大面积主拉应力超过规范限值的情况。另外，构造B施工相对更复杂，而构造A更简单、传力更匀顺、施工更便利、质量更易控。

为了进一步验证该构造的受力性能和破坏机理，开展了拱梁汇合段极限承载力研究，结果表明：在正常使用极限状态荷载组合下，结构始终处于线弹性工作状态。缩尺模型试验显示的破坏路径为：初始裂缝从拱梁汇合段端部的上弦梁与下弦拱相交角藕处萌生，随着逐级加载，裂缝逐渐扩展直至贯穿拱梁汇合段梁拱交汇区腹板，当拱梁汇合段内的预应力和普通钢筋屈服，顶板混凝土达到抗压强度，结构达到极限承载力状态，最终破坏表现为弯剪破坏，见图 7。

3.3 施工方法

上承空腹式梁拱组合刚构桥作为典型的高墩大跨径桥梁，适宜采用平衡悬浇节段施工。该桥型在通常情况下宜采用的总体施工方法为：先利用临时斜拉扣挂方法进行梁拱倒三角区上弦梁、下弦拱施工，待梁拱汇合段施工完成后，转入采用挂篮对称悬臂浇注常规梁段施工直至合龙。上承空腹式梁拱组合刚构桥关键施工步骤见图 8。

3.4 梁拱倒三角区施工方法

梁拱倒三角区段的施工是该桥型施工的关键。由于上弦梁和下弦拱在汇合之前，上弦梁和下弦拱截面高度小而悬臂较长，无法独自承受自重和挂篮等施工荷载，一般需采用临时斜拉扣挂辅助其受力。另外，上承空腹式梁拱组合刚构桥的下弦拱截面相对空腹式连续刚构桥的下弦截面更纤细、梁拱倒三角镂空区域更大，上承空腹式梁拱组合刚构桥的上弦梁如采用在下弦拱上搭设支架浇注，下弦拱单层临时斜拉扣挂的施工方法会导致下弦拱临时斜拉扣索索力太大、下弦拱施工阶段应力超限，亦不适用。

因此，上承空腹式梁拱组合刚构桥的梁拱倒三角区段上弦梁和下弦拱交汇之前，均需采用临时斜拉扣挂辅助结构受力。上弦梁需在墩顶桥面以上设临时扣塔，下弦拱施工利用主墩临时交替锚固。在上弦梁和下弦拱即将交汇之前，需对临近拱梁汇合段的上弦梁和下弦拱节段临时锁定，以避免拱梁汇合段混凝土凝固时因温度变化导致开裂。待梁拱汇合段施工完成后，常规梁段采用与常规预应力混凝土连续刚构桥的施工方法完全一致的挂篮对称悬浇施工直至合龙。

下弦拱挂篮需设置防止下滑的锁定构造，并能适应下弦拱倾斜角度不断改变。为避免上弦梁和下弦拱交汇之前，下弦拱挂篮与上弦梁底部发生冲突，下弦拱挂篮宜采用倒三角挂篮。

3.5 临时扣索的合理拆除时机

梁拱倒三角区施工过程中需通过张拉临时斜拉扣索调整上弦梁和下弦拱施工时的应力和线形。设计时不仅需要确定各临时扣索的合理张拉力，而且也要认识到临时扣索的拆除时机会对结构受力造成较大影响。研究表明下弦拱临时扣索宜在拱梁汇合段形成后与中跨常规梁段跨中合龙之前分批拆除，上弦梁临时扣索在全桥合龙后拆除对结构受力最为有利。

4 工程实践情况 4.1 项目概况

礼嘉大桥是重庆市快速路二横线的控制性节点工程，连接两江新区和沙坪坝区。该桥全长785 m，主跨245 m，双向8车道，设计时速80 km/h。综合考虑桥位周边地形地貌、通航和行洪要求、结构性能和造价成本、城市规划和景观风貌要求等因素并经多方案比选，采用跨径布置为(140+245+190+130+80)m的上承式梁拱组合刚构+变截面连续梁组合桥梁为实施方案^[18]，桥型总体布置见图 9。

由于该桥因桥面很宽而采用双幅桥并列布置，其中每幅桥标准宽18 m。为实现简约而美观的外观效果，在设计中采用了梁拱倒三角区范围内不设拱上立柱的布置形式，使其既具有梁桥的简洁，又有拱桥的优美。

礼嘉大桥主梁采用单箱单室截面，梁高5.0~6.5 m，顶板宽18 m，悬臂板长度为4.5 m，底板宽9 m，顶板厚32 cm，底板厚28~150 cm，腹板厚50~120 cm。下弦拱底与拱梁汇合段以及常规梁段底缘采用2.2次抛物线，单箱单室矩形截面，宽9 m，高4.8 m，壁厚60~80 cm。下弦拱宽度与上弦梁、拱梁汇合段、常规梁段腹板宽度外轮廓对齐。主墩采用六边形的变截面空心薄壁墩。

4.2 相同条件下与连续刚构桥的综合对比

礼嘉大桥在设计过程中，在相同桥跨布置和桥面宽度完全等同条件下，对上承空腹式梁拱组合刚构桥和预应力混凝土连续刚构桥分别建立了有限元模型并进行了综合对比。其中，连续刚构主墩处的根部梁高为15 m，梁底采用1.5次抛物线变梁高。连续刚构桥与上承空腹式梁拱组合刚构桥采用相同的跨中梁高，均为5 m。两者在主梁外轮廓和边孔桥跨、结构构造也保持一致。相同条件下的上承空腹式梁拱组合刚构桥和连续刚构桥有限元模型见图 10。

主梁、桥墩均采用C60混凝土。为了让主墩刚度对主梁受力和变形的影响保持一致，墩高均为72 m，均采用相同截面尺寸。在有限元模型中，结构自重根据上述两个桥型的结构构造准确计算，桥面二期恒载、汽车荷载以及其他设计荷载取值完全一致，预应力钢束根据各自受力情况进行配设。

为衡量上承空腹式梁拱组合刚构桥下弦拱对主梁内力的改善情况，选取边跨和1/2主跨结构，以考察在恒载(计算模型中考虑具体的平衡悬浇节段施工法，即结构体系的形成过程)作用下的主梁内力分布和下弦拱对主梁恒载分担率。

通过有限元模型计算得到上承空腹式梁拱组合刚构桥方案主跨部分的主梁自重、二期恒载之和为334.8 MN，边、中跨下弦拱拱脚轴力分别为172.3，177.2 MN，边、中跨4个下弦拱提供给主梁的竖向支撑力合计为292.0 MN，下弦拱对主梁恒载分担率为87.2%。由图 11可知，上承空腹式梁拱组合刚构桥主梁最大弯矩为连续刚构桥的1/5，前者最大剪力为后者的1/3。下弦拱显著减小了上承空腹式梁拱组合刚构桥中跨和边跨主梁的弯矩和剪力，充分发挥梁拱组合受力体系的优势。相同条件下的上承式梁拱组合刚构和连续刚构桥结构性能对比见表 3。

综合对比结果表明，上承空腹式梁拱组合刚构桥和连续刚构桥在混凝土材料用量，预应力钢绞线和钢筋的用量上，前者比后者略少；在结构受力上，前者优于后者。上承空腹式梁拱组合刚构桥的主梁顶缘和底缘的正应力差值和最大主拉应力相对于连续刚构桥更小，更接近预应力混凝土梁控制梁体开裂和下挠理论提出的目标^[19-21]。在结构竖向刚度和对长期挠度变形的理论控制效果上，前者明显优于后者。因此，采用上承空腹式梁拱组合刚构桥可有效避免常规大跨度预应力混凝土连续刚构桥服役期间极易出现的下挠和开裂的质量通病。

4.2 弯剪扭耦合效应

礼嘉大桥采用单箱单室大悬臂箱梁，为准确对其弯剪扭耦合效应进行分析，采用Midas FEA软件建立1/2桥跨结构的实体单元有限元模型，见图 12。

该模型中的上弦梁、下弦拱、墩拱结合段、墩梁固结段和拱梁汇合段均按实际构造模拟，跨中位置处采用对称边界约束。按单侧2车道+满布人群+横向风荷载进行最不利加载。经过计算，主跨跨中截面扭转角为0.001 2 rad, 扭转横坡为0.12%，横桥向变形为11.1 mm，竖向变形为14.6 mm，结构的最大主拉应力均小于0.6 MPa。

4.3 工程建造方法

礼嘉大桥的总体施工充分考虑了大桥建设对桥位水域环境和嘉陵江通航影响。该桥的建设过程需综合采用梁桥、悬浇拱桥、矮塔斜桥桥的建造工艺，施工状态变化大、体系转换多、施工工艺复杂和施工控制要求高。

该桥桥墩采用爬模施工。P2~P4上部结构采用挂篮平衡悬浇节段施工，P1现浇梁段、P5，P6墩主梁梁段采用支架分段现浇施工。P2，P3梁拱倒三角区段上弦梁、下弦拱均采用临时斜拉扣挂法，通过张拉临时扣索索力调整上弦梁和下弦拱受力状态和线型，利用挂篮逐段悬臂浇注混凝土。

待上弦梁和下弦拱交汇形成稳定的倒三角框架以后，逐根拆除临时扣索；待梁拱汇合段施工完成后，常规梁段采用挂篮对称悬浇施工直至合龙。

设计过程中比较了4种临时扣索的拆除方案。方案A：上弦梁、下弦拱临时扣索均在中跨跨中合龙后拆除；方案B：上弦梁临时扣索在中跨跨中合龙后拆除，下弦拱临时扣索在拱梁汇合段形成后拆除；方案C：上弦梁、下弦拱临时扣索均在拱梁汇合段形成后拆除；方案D：上弦梁临时扣索在中跨合龙后拆除，下弦拱临时扣索在拱梁汇合段形成后与中跨跨中合龙工况前分批次拆除。各拆索方案在施工过程和成桥状态的结构应力比较详见表 4。

比较结果表明：方案D能有效控制结构在施工过程中应力不超限值并使成桥状态的应力和线型相对最优。

4.4 成桥荷载试验

为了解实际工作状态，检验设计和施工质量，结构的受力性能和可靠性是否满足要求，礼嘉大桥在竣工验收之前开展了静载和动载试验。

限于文章篇幅，仅给出成桥荷载试验^[22]的主要结论：在试验荷载作用下，礼嘉大桥各个挠度测试截面的实测挠度均小于理论计算值，试验桥跨应变测试截面的实测应变均小于理论计算值，结构实际整体刚度大于理论计算刚度，并与静载试验挠度测试结果相符，各阶实测振型与理论计算振型基本一致。结构整体承载能力、结构刚度及整体受力性能满足设计和规范设计荷载要求。

礼嘉大桥作为中国首例大跨度上承式梁拱结合刚构桥，已于2021年9月26日提前60天顺利建成通车。

5 结论

(1) 上承空腹式梁拱组合刚构桥是基于结构体系组合的设计理念，将常规预应力混凝土连续刚构和上承式钢筋混凝土拱桥两种传统的经典结构体系相互结合，充分发挥各自力学优点的新型桥梁。

(2) 上承空腹式梁拱组合刚构桥的设计和施工比常规预应力混凝土连续刚构桥复杂，工程材料用量指标比常规预应力混凝土连续刚构桥略少，但其结构竖向刚度和对长期挠度变形的控制效果明显优于后者。

(3) 该桥型可在设计中通过主动调整控制墩梁固结段、拱梁汇合段、主跨跨中、拱墩结合段、主墩墩底5个关键控制点的弯矩和剪力，使之尽量相等或相近，以让结构的内力分配更趋合理。当结构关键控制点的强度、刚度和线形计算指标符合目标范围时，可达到合理成桥状态。

(4) 该桥型拱梁汇合段受力复杂，可采用适当增加腹板厚度和配设预应力钢束下弯锚固和竖向预应力钢束的方法控制交汇区域腹板主拉应力。下弦拱与上弦梁之间的交汇夹角相对较小，下弦拱顶板与上弦梁底板的交汇构造采用A字形，构造简单、传力效果好，施工质量容易保证。

(5) 该桥型适宜采用平衡悬浇节段施工。梁拱倒三角区段上弦梁和下弦拱交汇之前，均需采用临时斜拉扣挂辅助结构受力。下弦拱临时扣索宜在拱梁汇合段形成后与中跨常规梁段跨中合龙之前分批拆除，上弦梁临时扣索在全桥合龙后拆除。