淺談海南省某飛鳥式系桿拱橋的結構優化設計

摘要：在橋梁與建筑日益融合的大環境下，如何用結構的方式來體現建筑的意圖，是橋梁設計中遇到的新課題。本文結合一座飛鳥式系桿拱橋的設計優化過程，淺談下在保留原建筑意圖的前提下，對橋梁結構進行優選優化的過程，并對今后同類設計提出一些有價值的意見及建議。

關鍵詞：飛鳥式系桿拱橋； V型剛構；組合結構；結構優化

一、工程概況

隨著建筑景觀對市政交通建設領域的滲透，特別是旅游地塊和公共建筑的互生互動，橋梁在具備交通功能、過水功能之外，其景觀功能也越來越被建設者所重視，更冀望通過橋梁的公共性和地標性，提升周邊區域的整體對外形象。

本項目位于海南省旅游公路某段，毗鄰入海口，上跨太陽河分洪渠，視野開闊，觀景效果好，是本工程沿線最大的橋梁。從旅游公路的定位出發，項目設計之初便從建筑景觀入手，結合橋梁結構本身，營造復合人文景觀，提高旅游公路的辨識度，更期形成區域景點，吸引游覽人氣，帶動當地的旅游產業。

建筑方案采用連續跳躍的拱形線條，以形成飛鳥展翅的效果，如同海鷗掠過海面，打造南海沙灘、碧浪白鳥的美麗畫面；拱形線條河中分叉處理，增加了連拱的立體感，使得橋梁整體顯得輕盈動感又立體飽滿。

二、設計條件

太陽河發源于萬寧市與瓊中黎族自治縣、陵水黎族自治縣交界處的斬嶺，原入注泄湖小海，后建分洪工程后直接注入南海。全流域面積592.5 km2，河流全長75.7 km，年均徑流8.44億m3，坡降1.49‰。

橋位河段毗鄰出海口，為典型的感潮河口段，受中上游的萬寧水庫和碑頭水庫泄洪影響，并受外海潮汐水位控制。根據水文調查和計算，擬建橋位處歷年最高潮位為3.447m，年最高潮位出現在汛期的幾率為89.7%，百年一遇的設計潮水位為3.907m（85國家高程）。

本橋設計技術標準如下：

1.道路等級：二級公路；

2.設計車速：40km/h；

3.汽車荷載：公-Ⅱ級；

4.結構安全等級：二級；

5.設計基準期：100年；

6.抗震設防等級：6度；

7.環境類別：Ⅲ類；

8.橋梁寬度：18m。

三、結構設計

根據建筑總體設計意向，本橋為飛鳥中承式拱與懸索組合結構橋，拱肋吊桿部分承受邊跨豎向荷載，懸索部分承受跨中豎向荷載；全橋獨拱肋單索面設計，主梁為多點彈性支撐連續梁結構。

從本方案的結構受力復雜度出發，本橋宜采用全鋼結構以降低局部構件設計和施工的難度；但針對橋梁所處的海洋腐蝕環境以及海南當地多發的臺風氣候，從全壽命期工程投入產出與結構抗風安全的角度出發，全鋼結構不宜作為本橋的主材料。

為應對該矛盾，設計從實際出發，分析認為主梁受力相對明確、施工相對簡單，有條件采用混凝土結構；主拱受力復雜多變，施工需高空作業，可維持采用全鋼斷面或改用鋼箱混凝土斷面。最終，結構設計采用混凝土薄壁箱梁為主梁斷面，主拱進行鋼箱混凝土和全鋼截面比較，在維持獨拱肋單索面設計的基礎上，采用雙吊桿布置，既減小因主梁材料改變而大幅提高的吊桿內力，也便于后期換索。

鑒于橋位處基巖埋置深度達50m以上，主梁縱向布置通長體內預應力鋼束，以平衡結構水平推力，形成自錨體系，減小拱結構對基礎的依賴。

經過初步試算，單索面全漂體系主梁整體抗扭能力較差，剛度較小，設計提出增設主墩處橫梁、與斜腿形成V墩剛構體系的方案進行優選比較。

本工程的結構總體計算采用Midas2010（V7.8.0版），主梁和拱肋采用梁單元模擬，吊桿和主纜采用桁架單元模擬；考慮了恒載、活載、預應力、混凝土收縮徐變、整體升降溫、局部溫差、風荷載、基礎沉降等作用。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）及《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）的規定，本橋計算時取結構重要性系數1.0，按A類混凝土構件要求，對荷載（作用）進行組合計算。

1、主拱斷面比較結果

比選斷面1采用250×200cm鋼箱混凝土主拱斷面，鋼箱壁厚為12mm，全斷面內充微膨脹混凝土，全橋拱肋混凝土用量為1036方、鋼結構用量為594噸。

比選斷面2采用250×200cm全焊鋼結構斷面，鋼箱壁厚為30mm，全橋拱肋，鋼結構用量為1343噸。

兩個斷面同樣在方案A的全漂體系下，斷面1的主梁跨中活載豎向撓度為8.4cm，自重+活載的組合下拱肋側傾失穩的臨界荷載系數為10.3；斷面2活載豎向撓度為14.3cm，拱肋側傾失穩的臨界荷載系數為12.2；兩個斷面均滿足規范剛度、活載撓度和穩定的要求，總體可行。

斷面1由于采用較為廉價的混凝土材料作為拱肋受壓材料，在工程投資上較斷面2減少約10%，但是斷面1拱肋分叉和懸索段錨固節點受力不明晰，懸索結構換索困難，容易造成結構隱患，施工時箱型斷面造型較難控制，對箱內混凝土泵送和吊桿張拉都有較高的要求。

綜合考慮，采用斷面2——全鋼焊接箱型斷面可以明晰結構受力，降低施工風險和難度，減少工程措施費用，綜合效益遠大于采用混凝土材料而產生的經濟效益。

2、結構體系比較結果

在保證相同的全鋼薄壁斷面的情況下，全橋主梁無剛性支撐的全漂體系和增設V墩處主梁橫梁形成的剛構體系有著各自不同的力學表現。

方案A主梁縱向受力相對平滑，無突變荷載，但由于全橋僅橋臺處設置抗扭約束，全橋扭轉跨徑達到了260m，扭矩和扭轉變形較大，橋臺處主梁扭矩達到了17405KN·m；跨中主梁在活載偏載的工況下橫向扭轉0.005rad，計入荷載長期效應的影響后，主梁挑臂處豎向綜合撓度達到了32.9cm。

現行規范尚未對扭轉剛度作相關規定，鑒于規范對于受彎梁的撓度計算要求是為了保證梁有足夠剛度，使汽車過橋時主梁變形不致過大而平順通行。因此，本項目采用了計入橫向扭轉后的主梁外挑臂綜合豎向撓度作為撓度驗算對象，32.9cm的計算結果不滿足L/600=130/600=21.6cm的規范要求。

方案B主梁抗扭跨徑為110m，扭矩和扭轉變形都大大減小，主梁最大扭矩為5125 KN·m，較全漂體系降低了70%；主梁最大扭轉角度為0.0004rad，計入荷載長期效應的影響后，主梁挑臂處豎向綜合撓度為6.56cm，體系剛度提升明顯。

采用剛構體系后，主梁斷面得到了充分的利用，懸索段的主梁由V構提供主要豎向支撐，吊桿支撐居于次要地位，對懸索段的要求大大降低。

通過對同一建筑造型下兩個不同結構設計方案的計算分析比較可以看出，方案A采用自錨中承式系桿拱和懸索組合結構，全漂體系，結構整體剛度小、抗扭能力差，行車舒適度差，施工風險度高；方案B采用了自錨中承式系桿拱和V構組合結構，施工工藝成熟度高，抗扭能力強，而且避免了主纜錨固區復雜節點，消除了主纜腐蝕的隱患，最大程度利用了混凝土主梁的結構承載潛力。因此，對于本橋的建筑方案，從結構受力合理性上而言，方案B是優選方案。

四、結語

同樣的建筑造型，會有不同的結構實現方案。在設計之初，對不同的結構實現方案進行試算，分析各種不同結構體系的力學性能，研究施工過程和復雜節點的模擬方式，有利于調整結構設計方向，少走彎路斜路，對穩定結構設計起了很重要的作用。

參考文獻：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋.人民交通出版社，2007.1

[2]胡建華.現代自錨式懸索橋理論與應用.人民交通出版社，2008.8