單跨下承式空間拱梁組合橋設(shè)計

郭鈺瑜，寧平華

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

1 橋址概況

從化大橋位于從化區(qū)中部，南北向橫跨流溪河，是連接從化城北新區(qū)和南部河東綜合區(qū)及研發(fā)產(chǎn)業(yè)區(qū)的重要通道。橋位北岸為河北新區(qū)，未來規(guī)劃為行政辦公和居住用地，建筑物類型較多；南岸為河東綜合區(qū)，未來規(guī)劃為綠地和居住用地；西岸為河西傳統(tǒng)城區(qū)，河堤處有已建成并使用的河島公園。該區(qū)域圍繞流溪河這一生態(tài)景觀軸布置成供市民休憩活動的場所，形成有從化地方特色和自然特色的生態(tài)型園林綠化體系，繪就一幅“園在城中、城在園中”的美麗景象。因此，從化大橋的建設(shè)應(yīng)盡量減少對自然濱江景色的影響，并使之與周圍建筑、景物有機融合，創(chuàng)造出富有從化地方特色、濱江園林化的山水城市景觀。

流溪河總體呈東北—西南向流經(jīng)從化區(qū)中心城區(qū)，從化大橋橋位處于流溪河中上游，場區(qū)兩側(cè)屬流溪河一級階地，地勢平坦。河道寬約200 m，堤岸高程約為34.2 m，河底高程約為23.8 m，枯水期水深多為1.00～5.00 m，部分地段可見河床出露，洪水期水流湍急。

橋位處覆蓋層主要為人工填土層、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土、全風化和強風化花崗巖。基巖為花崗巖，微風化巖面起伏較大，埋深約7.80～39.70 m。

廣州地鐵14 號線過河隧道分左右雙線，其中左線隧道在從化大橋西側(cè)通過，右線隧道中心線與從化大橋中心線重合，大橋樁基布置受限于地鐵隧道線位，且兩個項目工期重疊。需采取特殊設(shè)計和預(yù)防措施。

2 主要技術(shù)標準

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設(shè)計行車速度：60 km/h。

（3）設(shè)計車道數(shù)：雙向6 車道。

（4）人行道凈寬：2×3.5 m。

（5）通航標準：規(guī)劃IX 級航道。

（7）抗震等級：抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g。

3 主橋設(shè)計[1]

3.1 總體設(shè)計

主橋為單跨下承式空間拱梁組合橋，跨徑為136 m，橋?qū)?0 m，如圖1、圖2。橋型設(shè)計提取“流溪映月”中水與月的元素，讓拱肋呈現(xiàn)月的造型，猶如一輪新月升起在流溪河畔。

圖1 橋型立面圖（單位：m）

圖2 主橋橫斷面圖（單位：m）

本結(jié)構(gòu)體系特征為：單跨簡支體系、空間鋼桁拱、預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁。上部結(jié)構(gòu)屬于簡支體系，外部無多余約束，屬外部靜定結(jié)構(gòu)。該種體系具有結(jié)構(gòu)輕巧美觀、跨度大、橋?qū)捿^寬、地質(zhì)條件適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)受力合理和施工便捷快速、造價低等特點。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 主副拱

（1）拱圈[1]

拱圈由三根非平行鋼管通過橫向連接系組合而成的倒三角形，在拱腳處匯聚到一點。三根鋼管線型均為二次拋物線。一根外徑1.8 m 的主拱肋位于豎直平面內(nèi)，主拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f 為26.2 m，矢跨比為1/5.2；兩根外徑1.5 m 的副拱肋由豎直平面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)16.8°而成，副拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f 為31.7 m，理論矢跨比f/L=1/4.1。

拱肋采用單圓管截面，如圖3，壁厚為26 mm、22 mm，管內(nèi)灌注C50 微膨脹混凝土。鋼管內(nèi)壁沿圓弧每隔45°設(shè)一道縱向加勁肋，板寬160 mm，厚16 mm；沿縱橋向每隔3 m 設(shè)環(huán)形加勁板，加勁板均豎向設(shè)置，其位置與斜撐腹板位置對應(yīng)，板厚16 mm。

圖3 主拱肋標準橫斷面圖（單位：mm）

（2）拱肋鋼管間的連接系（橫撐、斜撐）

主副拱肋之間及兩副拱肋之間，設(shè)置間距3 m的斜撐與橫撐，共37 道。橫斜撐均采用矩形斷面，板厚為16 mm。

3.2.2 主梁

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁

為節(jié)省造價和降低后期維護費用，主梁采用等高預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，中心線處梁高3.9 m，高跨比為1∶34.8。橋梁橫向按整幅設(shè)計，采用單箱多室魚腹式斷面，吊桿處箱梁頂板寬40 m，寬跨比為1∶3.4，高寬比為1∶10.3；無吊桿處箱梁頂板寬37.8 m，如圖4。箱梁頂板設(shè)置雙向2.0%的橫坡，底板水平，底板與邊腹板采用半徑為20.0 m 的圓弧連接，頂板厚0.28 m，底板厚0.22 m。中腹板為系桿布置區(qū)及拱肋錨固區(qū)，厚0.9 m，邊腹板厚0.6 m。

圖4 主梁標準橫斷面圖（單位：cm）

主梁除在端部拱座處設(shè)置6.5 m 寬端橫梁外，在對應(yīng)吊桿位置每隔6 m 設(shè)置一道橫隔梁，橫隔梁厚0.2 m。在兩道吊桿橫隔梁之間3 m 間距處加設(shè)一道厚度為0.16 m 的小橫隔梁。

主梁采用縱橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，鋼束均采用Φs15.2 高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa?？v向預(yù)應(yīng)力布置于混凝土箱梁中腹板內(nèi)，縱向與兩拱腳連線重合，兼起到系桿的作用，形成自平衡體系。

（2）拱梁結(jié)合部[2]

主橋拱腳位于拱梁交匯處，承受整個拱圈傳來的軸力、彎矩及剪力，同時受到主梁預(yù)應(yīng)力軸向壓力的作用，其局部應(yīng)力大。為了有效減小局部應(yīng)力，本次采用埋入式拱腳構(gòu)造設(shè)計，鋼管拱肋采用剪力釘和錨固鋼筋相結(jié)合兩種錨固形式把正應(yīng)力傳遞給混凝土。剪力釘沿鋼管內(nèi)外壁均勻布置，如圖5。

圖5 拱腳橫斷面圖（單位：mm）

三根非平行拱肋在拱腳處集中錨固，其與主梁相交錨固節(jié)點的受力復(fù)雜。本次設(shè)計提出了一種新的適用于多根非平行拱肋在拱腳集中錨固的解決方案：通過將兩根副拱肋的兩端拱腳均向外側(cè)彎折，可避免主拱肋和兩根副拱肋在拱腳處由于位置沖突導(dǎo)致被截斷，用以保證主、副拱肋的完整性和傳力的連續(xù)性，同時方便拱肋結(jié)構(gòu)的制造安裝；與拱肋交叉再錨固相比較，三根拱肋平行錨固可簡化拱腳節(jié)點處錨固的連接設(shè)計，有效降低拱腳處節(jié)點應(yīng)力水平，使整個拱腳結(jié)構(gòu)受力更均勻；拱肋之間設(shè)置橫向連接板，可進一步提高拱肋的整體錨固性能；插入式拱腳構(gòu)造，傳力途徑明確、安全可靠度高、施工簡便。

3.2.3 吊桿

吊桿采用三向布置形式，可大大提高拱肋的橫向剛度及空間整體穩(wěn)定性。吊桿索體采用PES（FD）系列新型低應(yīng)力防腐拉索，按順橋向6 m 間距布置。主副拱肋吊桿索體規(guī)格分別為PES（FD）7-187、PES（FD）7-73。

吊桿兩端分別錨固在主梁和拱肋內(nèi)，主梁處為張拉端，拱肋處為固定端，均做成承壓式連接，構(gòu)造簡單。吊桿兩端錨頭做成外露式，使其對拱肋、主梁截面削弱相對較小，通過將錨具防護罩做成球冠形，以提升其景觀效應(yīng)。

3.2.4 下部及基礎(chǔ)

主墩采用弧形板式墩，截面尺寸為：3 m（縱向）×18 m（橫向）。主墩下設(shè)8 根? 2.5 m 嵌巖樁，樁基礎(chǔ)與橋墩之間通過承臺連接。

為降低地鐵隧道施工、地鐵運營對橋梁下部結(jié)構(gòu)傳力功能的不利影響。本次設(shè)計對橋梁下部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，具體措施為將主墩設(shè)計成大寬度板式墩，除了增加下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載性能外，還從空間避讓的角度在主墩下設(shè)置大跨度承臺，使樁基結(jié)構(gòu)從空間上避開地鐵隧道結(jié)構(gòu)，并保證樁基與地鐵隧道的最小距離不小于2 m；同時加大樁基長度，使樁基持力層位于地鐵隧道以下，同時保證隧道埋置于橋墩承臺以下不少于4.5 m，如圖6 所示，將地鐵隧道施工和地鐵運營對橋梁下部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和振動影響降低。

圖6 主橋橋墩構(gòu)造圖（單位：m）

4 施工過程

由于地鐵14 號線穿越流溪河段右線隧道中心線與從化大橋中心線重合，且兩個項目工期重疊，兩者施工相互影響，形成復(fù)雜的施工工況。經(jīng)協(xié)調(diào)從化大橋及地鐵14 號線的工期安排，該范圍施工順序為：橋梁樁基、承臺施工→地鐵盾構(gòu)隧道施工→橋梁墩身及上部結(jié)構(gòu)施工。同時還對地鐵施工和運營對橋梁的影響以及橋梁上部結(jié)構(gòu)施工對地鐵隧道的影響進行全過程同步監(jiān)測，以確保地鐵和橋梁的結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)構(gòu)分析計算

5.1 靜力分析

主橋整體結(jié)構(gòu)靜力計算采用橋梁專用有限元軟件Midas Civil 進行空間梁格模型分析，其中拱肋、主梁采用空間梁單元，吊桿采用只受拉桁架索單元。計算模型如圖7。全橋共劃分為1 322 個單元，951 個節(jié)點。鋼管混凝土拱肋截面采用Midas 自帶組合截面模擬，通過不同階段截面的組合實現(xiàn)管內(nèi)混凝土依次參與受力。

圖7 整體計算模型

計算荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、活載、風荷載、溫度荷載及施工階段臨時荷載等。

通過仿真分析得知，在恒載、最不利活載組合作用下，主拱、副拱及連接系正常使用狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均滿足規(guī)范要求。

5.2 穩(wěn)定分析

考慮自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載及風荷載等的作用,分為以下兩種荷載工況，分別作了穩(wěn)定性分析。計算結(jié)果表明，一階失穩(wěn)模態(tài)為橫橋向失穩(wěn)，在兩種荷載工況作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性符合要求。穩(wěn)定特征值見表1。

表1 穩(wěn)定分析特征值和失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié)語

從化大橋于2018 年9 月通過竣工驗收并投入運營。項目建設(shè)效果贏得了市各行政主管部門的一致好評，大橋通車后因其“流溪映月”的新穎造型，被從化市民公認為“網(wǎng)紅橋”。本文以從化大橋為背景，介紹了該橋的橋址概況、總體設(shè)計、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算。為同類型橋梁設(shè)計提供參考價值。