中等跨徑中承式提籃拱橋設計

康凱樂

（上海市政工程設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東佛山 528200）

0 引言

提籃拱橋是拱橋的重要形式之一，由于拱肋內傾，相同條件下其靜力穩定性能比平行肋要好，而且它造型美觀，常被用來作為城市的標志性建筑[1]。原哈爾濱建筑工程大學鐘善桐教授曾撰文指出提籃拱橋跨度可達600 m左右，隨著城市的發展，對橋梁景觀要求日益提高，提籃拱極具景觀效果的立面造型也用在了主跨70 m左右的中等跨徑橋梁上。

本文以廣東肇慶硯陽橋為工程實例，結合提籃拱的受力特點，介紹中等跨徑提籃拱橋的設計過程，通過數值分析對結構受力及穩定性進行全面分析。

1 工程概況

硯陽橋位于廣東肇慶政文組團硯陽路，南臨硯陽湖，是組團的核心景觀區域，需要滿足橋梁景觀和南側行人對觀景的需求，橋梁風格定位強現代感，主橋采用提籃式飛燕拱橋橋形。

橋梁全長343 m，主橋采用16.5 m+70 m+16.5 m的中承式提籃拱橋方案。車行道按雙向六車道布置，兩側各設非機動車道和人行道，全寬33.1 m。橋面開闊通暢，橋梁氣勢恢宏，橋型新穎美觀。

2 景觀設計

橋梁不是單獨的城市構造物，是城市建筑的一個組成部分，橋梁、河流以及其它的建筑物共同構成了一個完整的城市形象。它們之間相互協調、統一，形成一個完美的城市景觀。

橋梁的結構體系、體量與形態要與環境協調統一，造型不安全、結構上沒有穩定感以及違反力學原理的也不是美的橋梁。現代的橋梁設計發展趨勢是不再為了景觀而做景觀，避免多余的且結構不需要的繁復變化。針對橋梁的規模及形象，選擇與之相適應的色彩，可以更好的展示其功能美和形態美。

本方案主題為“硯陽新綠”，“綠”不但代表了以硯陽湖為核心的自然綠色景觀，也代表了肇慶新區的綠色交通理念。橋梁整體造型采用了葉片的形態進行仿生設計，極具現代感。功能上，車行橋和人行橋分建倡導了綠色交通的概念，使行人步行充滿趣味性。景觀上，橋梁的空間變化獨特，提供了豐富的觀景視角。橋梁整體涂裝色彩為白色系與灰色系組合，白色與灰色經久耐看，既能與城市建筑色彩相融合，又能在橋梁周邊的自然景觀中凸顯出來，景觀效果相得益彰。

圖1 硯陽橋效果圖

3 結構設計

該橋兩片主拱采用提籃式矩形鋼箱結構，拱肋橫向傾角25°，主拱豎向高度21.875 m，矢跨比為1/3.2。副拱由拱腳向兩側上挑，與主梁固結。梁端張拉水平系桿以平衡拱腳推力。系梁為鋼箱梁，橫梁為工字鋼梁，系梁與橫梁之間采用高強螺栓連接。車行道采用混凝土橋面板，混凝土橋面板和鋼梁之間通過焊釘連接形成疊合梁結構。無障礙人行天橋采用鋼挑臂懸掛于系梁外側，具有極佳的景觀和親水效果。吊桿采用平行鋼絲吊索，呈扇形狀布置，使橋梁富有張力和美感。

3.1 主拱設計

該橋主拱圈拱軸線為異形拋物線，主跨為70 m，拱高21.875 m，矢跨比為1/3.2。兩側副拱采用1.8次拋物線。拱肋采用2片提籃式箱形斷面拱肋，拱肋橫向傾角25°，腹板斜率不變，拱頂橫撐采用箱型結構。拱肋采用變高度矩形截面鋼箱拱，高1.6～3.0 m，寬1.6 m。橋面以上拱腹板厚20 mm，頂、底板厚25 mm；橋面以下拱腹板厚40 mm，頂、底板厚40 mm。為了保證腹板、頂底板的局部穩定，主拱肋設縱向加勁肋。縱向加勁肋采用鋼板加勁，間距500 mm左右，高度200 mm，被加勁板板厚為25 mm以下時，加勁肋板厚16 mm，被加勁板板厚大于25 m時，加勁肋板厚20 mm。采用鋼材的型號為Q345q-D。

考慮受力和景觀要求，主拱肋向內傾斜，形成提籃式拱。此橋橋面較寬且主跨不大，若拱高過大會形成陡拱，景觀效果較差。拱肋傾角大小影響體系剛度、拱肋與主梁的內力分配、拱肋變形等一系列主橋受力性能，必須對不同傾角的拱肋進行分析研究，以在安全的前提下確定一個較為經濟、美觀的方案。 拱肋內傾角對結構的穩定性影響較大，可以明顯改變拱橋的失穩模態。隨著內傾角的加大，結構的1階穩定性增加，但拱肋和主梁應力均隨傾角的增加而加大。

綜合考慮結構受力、穩定、美觀等因素，推薦采用拱肋傾角25°的方案。

3.2 吊桿設計

吊桿間距對拱橋的視覺效果影響很大。影響吊桿間距的因素主要有主梁的布置、重量和施工方法等。梁上吊桿間距5 m和梁上吊桿間距6 m的立面效果見圖2、圖3。

圖2 梁上吊桿5 m間距立面布置圖

圖3 梁上吊桿6 m間距立面布置圖

該橋主梁推薦采用疊合梁，因橋寬較寬，自重大，所以吊桿間距不宜過大。本橋主跨較小，若采用較大索距，索數量較少，則沒有拱橋應有的景觀效果。經綜合考慮，本橋吊桿間距推薦采用5 m，預制橋面板跨徑采用2.5 m，兩吊點中間設橫梁，間距2.5 m。

吊桿選用平行鋼絲吊桿，由若干根φ7 mm的高強度、低松弛鍍鋅鋼絲并攏經大節距扭絞而成，抗拉強度為1 670 MPa。錨具采用冷鑄墩頭錨，以φ1 mm～2 mm的淬硬鋼球、環氧樹脂及其它輔料的混合物作為錨固材料，拉索總成全部在工廠制作完成，工廠化程度高。

3.3 鋼拱腳設計

拱腳是拱橋的關鍵受力節點，該橋拱肋為全鋼結構，鋼制拱腳插入混凝土拱座內，與混凝土構件共同受力（即鋼混結合構件）。為使鋼混結構共同受力，拱腳箱室隔板均開孔，箱室內灌注混凝土，拱腳插入拱座的腹板、隔板開孔，孔內穿鋼筋，形成PBL剪力鍵。拱座內主鋼筋均與拱腳鋼板焊接，使主鋼筋能夠很好傳力，增加整體性。最后澆筑拱座和拱腳內的混凝土，是拱腳與拱座連為一體。

3.4 主墩設計

主墩承臺上設拱座，用于支承主拱及副拱，采用C40鋼筋混凝土。拱座承壓面須與拱軸線形成的面正交，兩側擴大以擴散壓力。主墩承臺厚3.0 m，基礎采用群樁基礎，承臺平面尺寸為10.0 m×7.1 m，樁基采用直徑為1.6 m的鉆孔灌注樁。為平衡提籃拱在拱腳產生的橫向水平推力，兩承臺間設系梁，通過張拉系梁的預應力平衡拱腳推力；為方便施工，平衡系梁自重，對系梁下面的土層采用CFG樁的地基處理。

4 結構分析

由于提籃拱橋的空間效應明顯，空間各方向超靜定約束較多，結構計算不能單純通過平面桿系程序進行簡化計算，應通過空間有限元程序進行全橋的三維有限元分析。采用空間有限元軟件midas建立空間模型進行結構靜力計算，計算模型如圖4所示：

圖4 空間有限元計算模型圖

邊界條件設置如下，主拱與副拱固結于拱腳，副拱與邊跨主梁在梁端固結支承于邊墩上，邊跨主梁另一側梁端和中跨主梁梁端支承于主拱牛腿上。

4.1 靜力分析

計算工況參照橋梁施工順序，選取5個施工階段和一個運營階段：

（1）工廠預制鋼拱肋吊裝；

（2）拆除支架；

（3）吊桿初張拉；

（4）施工橋面系及考慮活載；

（5）調索；

（6）運營階段。

計算參數和組合均按規范要求取值和選用[2-3]。主要計算結果見表1。

表1 短期效應組合下單元截面應力列表（單元：MPa）

拱橋模型撓跨比為1/4 290，滿足規范要求。

計算結果表明，全橋截面強度、應力驗算和變形驗算均滿足規范要求。

4.2 穩定分析

該橋利用拱肋側向傾斜形成提籃形狀，空間效應明顯，穩定性題是該橋型方案成功與否的關鍵。圖5為恒載和活載作用下拱的屈曲模態。

圖5 恒載+活載作用下拱的屈曲

在恒載和活載作用下，1階屈曲模態形式為反對稱扭轉，臨界荷載系數為44。穩定系數結果均大于4，滿足規范要求。

5 結語

硯陽橋設計是拱梁組合體系在提籃拱上的運用和創新。該橋結構新穎、受力復雜，在國內同類型橋梁中屬于較先進的結構體系。通過結構計算與經驗借鑒，并在設計中深入分析和優化，使該橋上下部結構合理，外形美觀、獨特，符合安全、經濟和美觀的原則。

[1]吳沖.現代鋼橋（上冊）[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]JTJ025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].

[3]TB10002.2-2005,鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].