烏昌大道頭屯河大橋總體設(shè)計(jì)

任宏業(yè)，蔚志鵬

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200437）

1 概述

烏昌大道是烏魯木齊與昌吉往來的交通要道，頭屯河段位于昌吉的門戶，由于頭屯河景觀提升工程的建設(shè)，頭屯河形成寬近600 m的景觀水域，該工程是該項(xiàng)目的重要節(jié)點(diǎn)工程。頭屯河大橋除滿足交通功能外，同步對(duì)周邊地區(qū)的交通組織和路網(wǎng)銜接進(jìn)行梳理；同時(shí)橋梁需兼?zhèn)渚坝^功能，展示城市門戶景觀形象，為頭屯河兩岸地區(qū)的規(guī)劃開發(fā)創(chuàng)造便利條件[1]（見圖1）。

圖1 頭屯河景觀整治效果圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)規(guī)模

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：主線道路等級(jí)為城市快速路；輔道為城市次干路。

（2）設(shè)計(jì)速度：上層主線設(shè)計(jì)速度采用80 km/h；下層及輔道為40 km/h。

（3）橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽車荷載取城-A級(jí)。

（4）人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）取值。

（5）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度0.2g，地震基本烈度為8度。

（6）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（7）結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1。

（8）環(huán)境類別：屬Ⅱ類地區(qū)。

2.2 建設(shè)規(guī)模

烏昌大道頭屯河大橋新建工程西起東外環(huán)路（K0+343.203），東至兵友路 /頭屯街（K1+940），全長(zhǎng)1.597 km。橋梁總長(zhǎng)901.42 m，其中主橋長(zhǎng)586.42 m，引橋長(zhǎng) 315 m。主橋?yàn)椋?1.07+80+71.07）m+（71.07+71.07）m+（71.07+80+71.07）m＝586.42 m 三聯(lián)雙層鋼桁架橋，西側(cè)引橋?yàn)閮陕?lián)3×35 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，東側(cè)引橋?yàn)橐宦?lián)3×35 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。該工程包括橋梁工程、道路接線工程以及相應(yīng)的附屬工程。

3 總體布置

3.1 工程總體方案

現(xiàn)狀烏昌大道兩側(cè)布置有輔道（省道112），主要服務(wù)于沿線的出行，因此新建的頭屯河大橋要兼顧主線及輔道的過河需求。若主輔分離過河，需新建四幅橋，橋面整體寬度大，景觀效果較差；若輔道并入主線過河，將在主橋段產(chǎn)生交織，對(duì)主線行車造成一定的影響。因此此次設(shè)計(jì)采用雙層橋結(jié)構(gòu)形式，主線位于上層，輔道位于下層，既不影響主線交通，又能減小整個(gè)橋面寬度，達(dá)到良好的景觀效果（見圖2）。

圖2 烏昌大道總體路線走向示意圖

3.2 方案構(gòu)思

根據(jù)總體方案研究，采用上下雙層布置較為合理。桁架橋是以桁架作為主要承重構(gòu)件的橋型，是雙層橋面最為適宜的橋型。距橋梁西側(cè)200 m為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑——有著“盛開雪蓮”美譽(yù)的新疆大劇院，橋梁造型需與大劇院融合，不搶景。該橋構(gòu)思來源于連綿起伏的天山山脈，通過“桁架結(jié)構(gòu)”與“環(huán)境”的對(duì)話，在傳統(tǒng)桁架的基礎(chǔ)上，在頂部呈現(xiàn)山脈效果，將橋藏在大自然之中，與環(huán)境相融合，橋梁結(jié)構(gòu)之美油然而生，與近處的新疆大劇院相得益彰（見圖3）。

圖3 主橋方案效果圖

3.3 橋跨布置

根據(jù)規(guī)劃，頭屯河景觀水域?qū)挾葹?70 m，雙層桁架主橋長(zhǎng)586.42 m，與東西兩側(cè)現(xiàn)狀烏昌大道接順，引橋長(zhǎng)315 m，橋梁總長(zhǎng)901.42 m。主橋?yàn)椋?1.07+80+71.07）m+（71.07+71.07）m+（71.07+80+71.07）m=586.42 m三聯(lián)雙層鋼桁架橋，西側(cè)引橋?yàn)閮陕?lián)3×35 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，東側(cè)引橋?yàn)橐宦?lián)3×35 m現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)體系

主橋方案采用多跨連續(xù)桁架橋，常用的桁式結(jié)構(gòu)有三角形、N形、米字桁等多種形式[2]。該橋考慮景觀造型十分重要，采用無豎桿的三角形桁式體系，結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)潔、通透性好，通過桁架底部、頂部造型的變換實(shí)現(xiàn)了“山脈”的效果。主桁高度為8.7 m，節(jié)間距為10 m，其中一聯(lián)布置如圖4所示。

圖4 三跨一聯(lián)桁架布置圖（單位：m）

4.2 橫斷面設(shè)計(jì)

該橋上層橋面為雙向八車道，橋梁功能寬度達(dá)到36 m。如采用兩片主桁布置，則橋面太寬，橋面系高度增加；如采用三片主桁，則受力不夠明確，也增加了施工難度。因此該橋采用兩片主桁，分幅對(duì)稱布置。根據(jù)景觀造型需要，邊桁需升出橋面，主桁采用平行桁架設(shè)計(jì)，上下同寬。

上層雙向八車道，一幅橋上層橫斷面布置為1.33 m（主桁）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+16 m（車行道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+2 m（中央分隔帶）=20.33 m。

下層布置雙向四車道，一幅橋下層橫斷面布置為 1.33 m（主桁）+3.5 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+7.5 m（車行道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+1.5 m（主桁區(qū)）+2 m（中央分隔帶）=20.33 m。

圖5 橫斷面布置圖（單位：m）

該橋在桁架外側(cè)布置了3 m的人行觀景步道，人們可以站在橋上近距離欣賞頭屯河水景（見圖 5）。

4.3 主桁設(shè)計(jì)

4.3.1 主要桿件

由于主桁較寬，主桁桿件受力較大，上、下弦桿均采用箱形截面，截面寬度為1 250 mm，高度均為1 400 mm，頂、底板最大板厚35 mm，加勁肋板厚20 mm。腹桿采用箱形截面，截面寬度為880 mm，高度均為1 250 mm，頂、底板最大板厚35 mm，加勁肋板厚20 mm。桁架用鋼均采用Q345qE。

4.3.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該橋采用整體焊接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板也是弦桿和腹桿的一部分，腹桿的頂?shù)装迮c節(jié)點(diǎn)板焊接，腹板向節(jié)點(diǎn)板插入。采用整體節(jié)點(diǎn)可減少鋼結(jié)構(gòu)出廠散件，節(jié)點(diǎn)外拼接條件得到改善，工地安裝方便。

4.4 橋面系

該橋采用板桁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，橋面系需參與桁架受力，加勁梁橋面與正交異性鋼橋面板類似，由橋面板、加勁肋、橫梁組成。橋面板為16 mm厚鋼橋面板，加勁肋采用U形肋，板厚8 mm，在兩節(jié)點(diǎn)之間共設(shè)置4道橫梁，采用工字形斷面。

4.5 裝飾構(gòu)件

該橋外立面造型考慮景觀需要，采用了棱角分明的異型造型，異型構(gòu)造通過外加鋼板實(shí)現(xiàn)，主要為裝飾作用，不參與整體受力，采用沖壓成型的方式進(jìn)行加工。

4.6 附屬工程

橋位設(shè)防烈度為8度，為了減小下部結(jié)構(gòu)尺寸，滿足抗震要求，支座均采用矩形減隔震鉛芯橡膠支座。

主橋兩端設(shè)置具有多向變位裝置的320梳齒板伸縮縫。

主橋橋面鋪裝采用了70 mm ERS鋼橋面鋪裝，由防水抗滑黏結(jié)層、剛度過渡層、隔溫層、SMA-13面層組成。

上層設(shè)置燈桿影響總體景觀效果，主橋上層照明采用低位照明，下層照明通過頂部吊頂燈提供照明，該橋也是新疆地區(qū)首次采用低位功能照明。

4.7 鋼結(jié)構(gòu)防腐

橋梁處于嚴(yán)寒地區(qū)，用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂料需具備優(yōu)異的耐鹽霧、耐酸堿、耐寒等防腐性能，橋梁重涂周期按20年考慮，防腐涂裝選用了較為先進(jìn)的冷噴鋅涂裝體系（見表1）。

表1 鋼結(jié)構(gòu)防腐方案

5 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

5.1 計(jì)算模型

計(jì)算軟件采用正版midas Civil 2015（Ver.8.3.2 R1）進(jìn)行計(jì)算分析，建立兩聯(lián)三維有限元靜、動(dòng)力計(jì)算模型。其中，上下弦桿、腹桿、橫梁采用梁?jiǎn)卧M，橋面系及縱肋采用板單元模擬。

約束體系：全橋采用鉛芯橡膠支座，采用一般連接模擬鉛芯橡膠支座，按等效剛度輸入支座剛度，并考慮橋墩、承臺(tái)。樁基的共同作用：樁土的相互作用按“m”法計(jì)算（見圖6）。

圖6 計(jì)算模型

5.2 分析結(jié)論

由表2、表3可以看出，大橋自身剛度、強(qiáng)度滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。橋位設(shè)防烈度為8度，采用了減隔震支座，有效減小了下部結(jié)構(gòu)地震作用下的受力，橋墩均處于彈性。

表2 基本組合作用下的應(yīng)力情況

表3 E1與E2地震作用下橋墩墩底截面內(nèi)力及抗力

6 施工方案

該橋的施工方案構(gòu)思原則盡可能地做到便捷、成熟，考慮到施工周期等影響，雙層鋼桁架橋采用節(jié)段拼裝的施工方案。總體施工工序如下：施工準(zhǔn)備，場(chǎng)地平整→下部結(jié)構(gòu)施工→工廠制作鋼結(jié)構(gòu)→搭設(shè)施工臨時(shí)支撐→現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼節(jié)段→循環(huán)進(jìn)行拼裝工序→桁架合龍→附屬工程施工→成橋（見圖 7）。

圖7 施工中的頭屯河大橋

7 結(jié)語

頭屯河大橋是新疆第一座雙層鋼桁架景觀橋，也是西北地區(qū)用鋼量最大的市政景觀橋梁，橋梁總體方案結(jié)合交通功能、地域特色等多元素，在滿足安全、經(jīng)濟(jì)、適用的前提下，在設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)造型上具有較大創(chuàng)新性及設(shè)計(jì)特色。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）因地制宜，結(jié)合實(shí)際交通組織采用雙層橋面。新建的頭屯河大橋要兼顧烏昌大道主線及兩側(cè)輔道的過河需求。因此此次設(shè)計(jì)采用雙層橋結(jié)構(gòu)形式，主線位于上層，輔道位于下層，達(dá)到良好的交通組織效果。

（2）獨(dú)特的“天山山脈”景觀效果設(shè)計(jì)創(chuàng)意，既與橋型相符合，又反映新疆特色，選取新疆地理上最具代表性的“天山”為設(shè)計(jì)元素，在傳統(tǒng)桁架的基礎(chǔ)上，通過頂部、底部造型的變化，實(shí)現(xiàn)了山脈的效果，與新疆大劇院相得益彰，“天山、雪蓮”的組合深受好評(píng)。

（3）為了實(shí)現(xiàn)橋梁的景觀效果，桁架外測(cè)裝飾采用異型結(jié)構(gòu)。異型節(jié)點(diǎn)為受力主桁架外掛結(jié)構(gòu)，采用空間曲面形式，采用沖壓成型方式。突破了鋼桁架規(guī)整的外立面造型，是對(duì)景觀橋梁鋼結(jié)構(gòu)外裝飾的一次創(chuàng)新。

該橋于2016年10月開工，2017年12月上層主線正式通車，2018年7月全橋正式竣工。