四新南路總港異型拱橋設計淺析

陳泉，陶華

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023）

四新南路總港異型拱橋設計淺析

陳泉，陶華

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023）

異型拱橋是一種較為新型的、特點鮮明的空間組合結構體系橋梁建筑結構，由普通拱橋演變發展而來，外形美觀、造型新穎。四新南路跨總港橋采用一跨異型拱橋，計算跨徑56 m，采用兩榀反對稱鋼箱主拱圈，無風撐連接，主梁采用預應力混凝土結構。闡述該異型拱橋的結構設計與計算分析。

異型拱橋；橋梁美學；結構分析

0　引言

隨著城市建設的迅猛發展，橋梁建筑已不單純滿足交通功能，而且作為一種空間藝術結構物存在于社會之中[1]。尤其建設在城市標志性內湖、內河、重點商圈或潛力地塊，橋梁設計更需要采用富有特色的建筑造型來表達景觀訴求，因而，橋梁設計師在考慮橋梁結構的安全性和經濟要求的同時，還應注重橋梁美學價值的提高。橋梁既要滿足強度、剛度、穩定性和經濟性要求，又能滿足人們的審美需要，將橋梁功能性、藝術性及其與環境相互協調等問題有機地統一起來，力爭實現橋梁品質與橋梁美學價值的完美統一[4]。

1　工程概況

該工程位于武漢經濟技術開發區四新農場地段，西起規劃芳草路，向東經四新農場，止于會展一路，全長約3.8 km。本次調整設計中，于道路里程K1+000處，線路斜跨總港渠道。為保持渠道暢通和滿足景觀要求，經多次方案設計比選、論證，一座建筑造型新穎、美觀別致的反對稱異型景觀拱橋成為最終的施工圖設計方案。該橋根據道路走向、渠道寬帶、景觀體量等因素，從經濟和造型的角度考慮，橋梁總體布置為一跨56 m下承式異型拱橋，梁體斜度為25°。目前該橋已建成通車（見圖1）。

圖1　總港異型拱橋鳥瞰圖

2　主要技術標準

（1）道路等級:城市快速路。

（2）設計車速：40 km/h。

（3）設計荷載：機動車道為城－A級；人群荷載按照《城市橋梁設計荷載標準》（CCJ 77—98）取值。

（4）建筑界限：橋下凈空不小于2 m，通行凈寬不小于10 m。

（5）抗震設防標準：地震動峰值加速度0.05 g，對應烈度6度，按7度構造措施設防。

（6）環境類別：Ⅰ類。

（7）設計基準期：100 a。

3　結構設計

3.1總體布置

該橋縱向為平坡，橋跨計算跨徑為56 m，主梁長63 m，單跨異型拱橋，斜度為25°，橋梁垂直道路中心線寬度為34.5～44 m，橋寬布置為0.25～5.0 m(觀景平臺)+3.0 m(人行道)+2.0 m(主拱及吊桿防護帶)+3.0 m(非機動車道)+9.0 m(機動車道)× 2+3.0 m(非機動車道)+2.0 m(主拱及吊桿防護帶)+ 3.0 m(人行道)+0.25～5.0 m(觀景平臺)。橋型布置立面圖和跨中橫斷面圖分別見圖2、圖3。

3.2拱肋

拱肋構造分為三種形式：I型、II型和III型。I型為等截面1.5 m×1.5 m，板厚32 mm的鋼箱結構，為拱肋中間段，II型和III型為鋼箱-混凝土變截面鋼混結構，作為該橋拱腳，用于鋼箱拱肋與預應力混凝土主梁之間的銜接。兩榀拱肋間距為26 m，無風撐連接。鋼結構材質為Q345qd。

圖2　橋型立面圖（單位：m）

圖3　跨中橫斷面圖（單位：mm）

3.3主梁

上部結構主梁采用“雙縱梁”橫斷面，每片拱肋對應一道縱梁，在梁端吊桿處，兩道縱梁均設橫梁。兩道縱梁均為單箱雙室預應力混凝土箱梁結構，箱梁梁高1.8 m，外側腹板為斜腹板，中間及內側均采用直腹板，箱梁外側翼緣板寬0.25～5 m，厚0.2～0.5 m；中橫梁采用“T”型預應力混凝土梁結構，端橫梁則采用抗彎剛度大的單箱單室預應力混凝土箱梁結構，梁高為1.8～1.935 m。

混凝土主梁材質采用C50混凝土，其縱向和橫向預應力鋼絞線均采用高強低松弛預應力鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa。

3.4吊桿

吊桿為考慮遠期更換，采用雙吊桿面，吊桿面間距均為4.0 m，采用成品索體，吊桿與拱肋之間采用叉耳錨連接，吊桿索體采用塑包平行鋼絲束，鋼絲采用鍍鋅高強鋼絲，護套采用雙層，內層為黑色高密度聚乙烯，外層為彩色高密度聚乙烯。該橋所有吊桿均采用平行鋼絲組成。

3.5下部結構

每個橋臺下均布置兩個獨立的承臺，承臺尺寸長為7.5 m，寬為3 m，高為3 m，每個承臺下均布置兩根m鉆孔灌注樁。

4　設計關鍵點

4.1合理拱軸線

有別于一般系桿拱拱圈（拱肋）合理拱軸線所采用對稱的懸鏈線或拋物線，即為正態曲線，該異型拱采用偏態的曲線，與此匹配的吊桿采用統一的斜率斜向布置，以期滿足拱肋受力更趨合理的需要，故拱肋線形的選取是一項設計關鍵點。

該橋計算跨徑56 m，矢跨比采用1/3.5，矢高為16 m，拱軸線為偏態曲線，拱肋軸線上點座標理論方程為：

式中：設置主梁中心線與拱軸線相交交點為座標原點O，也即為上述拱軸線方程座標變量起點；α為吊桿傾角50°；L為計算跨徑；f為矢高；X為坐標軸上單位長度坐標變量。

4.2拱肋穩定性

由于橋面橫向較寬，且主梁為斜橋，兩榀拱肋按道路中心線為反對稱布置，不能設置橫向聯結風撐，因此拱肋自身截面剛度除滿足應力強度要求外，在設計時還須充分考慮其在各種實際狀態下的縱、橫向的穩定性要求。

對于拱肋穩定性考慮，該橋其一是在拱腳設置變截面，形成拱肋剛度逐漸增大的變化，其二是與拱腳交接處設置強大的端橫梁。

4.3拱腳鋼混結合段

主梁采用混凝土梁，拱肋采用鋼箱，鋼箱拱肋和混凝土梁之間的結合部是兩者組合的薄弱環節，因此拱腳結合部的設計成為該橋鋼混結合段應用中的一項關鍵點。

本設計中通過大量計算分析，對國內外類似工程進行了研究探討，并對結合部位混凝土和鋼板的應力分布，研究了結合部位局部的彎矩和剪力的傳力機制，得出了結合段最佳的截面構造形式和剪力釘布置方式，設計中采用精軋螺紋鋼筋、剪力釘、粗鋼筋及PBL剪力鍵形式共同作用，有效解決了結合部鋼與混凝土之間力的傳遞。

5　上部結構分析

對該橋建立Midas Civil空間有限元模型進行總體靜力計算與屈曲穩定性分析，計算模型見圖4。

計算模型中拱、主梁采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。系桿為體內預應力模擬。模型中節點數為281個節點，梁單元數為263個，桁架單元數為24個。

圖4　總港異型拱橋有限元分析模型

5.1靜力計算

預應力混凝土主梁在正常使用階段短期荷載作用下，正截面最大拉應力為-1.1 MPa，標準組合下，正截面最大壓應力為8.6 MPa。主拱成橋階段拱腳處最大壓應力為108 MPa。運營階段拱腳處最大壓應力為146 MPa。可見成橋階段及運營階段拱圈應力均滿足規范要求。圖5、圖6分別為成橋階段和正常運營階段主拱應力圖。

圖5　成橋階段主拱應力圖（單位：MPa）

圖6　運營階段主拱最大應力圖（單位：MPa）

5.2穩定計算

運營狀態穩定性計算分析考慮的荷載有：結構自重、汽車活載、人群荷載和非機動車輛荷載等。計算結果見表1。

從表1中可以看出:該橋成橋狀態穩定安全系數相對較大，基本滿足規范中關于拱橋的穩定安全系數的有關規定。

表1　成橋狀態的穩定安全系數

圖7和圖8為成橋狀態下的結構失穩模態圖。從失穩模態圖知，該橋的拱肋失穩模態均為面外側傾失穩。

圖7　運營狀態失穩模態圖（穩定安全系數14.5）

圖8　裸拱失穩模態圖（穩定安全系數50.4）

6　結　語

該工程實例作為城市景觀橋梁，充分體現了“安全、經濟、適用、美觀”的橋梁建筑設計原則，突破常規拱橋方案構思，結構形式新穎，景觀效果佳，在滿足橋梁結構使用功能外，還很好地滿足了橋梁建筑與美學要求，使橋梁建筑風格與周圍環境協調統一。該橋建成后使用體驗良好，已成為當地一道亮麗的建筑風景。

從結構本身特點而言，異型拱橋受力特性與普通正型拱橋相比，系梁受力相差不大，主要差異其一是體現在拱肋受力的不均勻性，其二是吊桿斜率的變化對拱肋影響較大，因此異型拱橋設計時采用合理拱軸線與恰當的吊桿斜率，與普通正型拱橋一樣可以做到經濟合理。

[1]李生智，王瑋瑤，鄔妙年.異型拱橋[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2]JTG D62－2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]金成棣.預應力混凝土粱拱組合橋梁一設計研究與實踐[M]．北京:人民交通出版社，2001．

[4]李喬，李麗.對于一種新型拱橋結構的美學分析及內力特性研究[J].四川建筑科學研究，2003,29(2):107-109.

[5]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社，1992.

U448.22

B

1009-7716（2016）10-0083-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.025

2016-06-28

陳泉（1976-），男，湖北黃岡人，碩士，高級工程師，從事橋梁設計工作。