新橋大橋設計技術特點及創新分析

竇巍，張浩 ，張家玉

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概述

濟祁高速三覺互通連接線工程位于安徽省淮南市壽縣，西接濟祁高速三覺互通，橫穿新橋國際產業園，東連新橋大道，是新橋國際產業園及沿線鄉鎮交通出行的重要載體，項目路線全長11.8km，采用雙向六車道一級公路建設標準，其中特大橋——新橋大橋，為本項目節點工程。

2 橋型選擇及橋跨布置

新橋大橋全長726m，橋跨布置為：10×30 m（預制箱梁）＋150m（斜跨拱橋面系跨徑）＋9×30m（預制箱梁），主橋一跨越規劃江淮運河河道，主橋為斜跨鋼箱拱橋，主梁橋面系跨徑為150m，鋼箱拱跨徑170m，拱肋矢跨比為1/2.618（0.3819）。拱肋斷面采用鋼箱斷面，斷面尺寸為7m×3.8m；主梁由邊縱梁及正交異性鋼橋面板組成。橫梁中心高3.3m，邊縱梁高2.935m（圖1）。

圖1 主橋立面布置圖

主橋橫斷面布置：0.5m（護欄）＋5.5m（混行輔道）＋4.1m（吊索區）＋14.5m（機動車道）＋0.5m（護欄）＋14.5m（機動車道）＋4.1m（吊索區）＋5.5m（混行輔道）＋0.5m（護欄），全寬49.7m（圖2）。

圖2 主橋平面布置圖

基于本項目總體概念設計的特點，在調研國內外同類橋型的優缺點基礎上，在局部構造設計中，進一步作出創新，包括斜拉式主拱理論拱軸線設計方法、錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協同受力分析、基于BIM技術的三維正向設計、主拱圈分段式轉體施工工藝。

3 項目關鍵技術及創新點

本項目設計中主要存在的難點：橋梁與河道斜交，整體景觀控制難度大；斜跨拱拱軸線設計不同于傳統拱橋，受力機理介于拱橋與斜拉橋之間；本橋吊桿受力機理更接近斜拉橋，吊桿錨固方式需綜合二者優點；斜跨拱為有推力拱，在軟弱地基中基礎設計難度大；節點設計空間特性明顯，關鍵構造三維放樣難度大；拱圈整體高度較高，支架搭設難度大。為解決以上設計與施工難題，針對本橋的建設，研發了基于視角分析的斜橋正做總體概念設計、斜拉式主拱理論拱軸線設計方法、錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協同受力分析、基于BIM技術的三維正向設計、主拱圈分段式豎向轉體施工工藝等關鍵技術。

3.1 基于視角分析的斜橋正做總體概念設計

本橋在方案設計階段進行了多輪匯報，基本確定采用拱橋方案，通過拱形結構形成“門”式造型，以滿足本項目作為區域門戶的理念。但由于路線與規劃航道斜交角度過大，經分析，本橋的主要景觀視角為航道行船視角和堤頂行人行車視角，在視角分析的基礎上，將拱圈做成斜跨拱，這樣就將一座斜橋做成了正橋的效果，從主要視角上來看，主拱效果端正，契合了區域發展理念。

3.2 斜拉式主拱理論拱軸線設計方法

基于本橋采用斜跨拱方案，部分吊桿傾斜角度較大，由于行車道凈空范圍的影響，吊桿基本都錨固在拱頂范圍，且吊桿力差別較大，拱圈受力規律與傳統拱橋大為不同，受力特性介于拱塔斜拉橋與傳統拱橋之間，不能單純采用傳統拱軸線計算方法。本橋在確定拱軸線方程時，以傳統拱軸線設計理論為基礎，綜合考慮了斜拉橋合理成橋索力及倒拆正裝理論，成功推導出本橋合理拱軸線，優化了拱圈尺寸，最大幅度地節約了工程造價。經計算，本橋合理矢高為64.93m，矢跨比為1/2.618，理論拱軸線方程為：

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3.3 錨拉板式吊桿錨固方法

本橋的吊桿在順橋向和橫橋向均有不同的傾斜角度，且每根吊桿傾角均不相同，采用傳統吊桿錨固方式，基于鋼縱梁內空間較小，錨固及張拉難度較大，且后期不便于吊桿錨頭的檢修更換，存在一定的管養風險。考慮到本橋的吊桿受力特性更為接近斜拉橋，因此借鑒了鋼箱梁斜拉橋拉索錨固方式，將錨拉板構造移植到斜跨拱橋中，既滿足結構受力需求，同時吊桿張拉空間得到保證，后期檢修及吊桿更換也較為方便。

3.4 基于M法的樁拱梁協同受力分析

本橋采用斜跨拱橋方案，無法采用常規的無推力系桿拱橋方案，因此設計采用了拱座結構平衡拱圈推力。但本橋地質條件較為一般，不能將拱座置于基巖上，設計需要考慮拱圈基礎受力。本橋設計中，采用樁基礎與拱圈、主梁整體建模的方式，基于M法合理推導樁基與土體之間的土彈簧剛度，合理考慮樁基與拱圈、主梁協同受力，準確模擬了本橋的全橋剛度。

3.5 基于BIM技術的三維正向設計

本橋設計中，對BIM技術的應用是由設計需求決定的。本橋吊桿布置空間角度復雜，導致拱上及梁上錨固構造較為復雜，傳統的二維平面設計難以滿足后期施工需要。因此，本橋設計中應用BIM設計方法，針對復雜的局部構造，采用了三維正向設計，設計成果一方面通過投影方法在圖紙中得以展現，同時將BIM設計成果通過合適的方法移交施工及鋼結構加工單位，確保了局部構造施工安裝的準確性。

3.6 主拱圈分段式豎向轉體施工工藝

主橋拱肋相對地面整體較高，且橋面系與拱肋斜交，搭設支架存在較大的安全隱患。因此，結合本橋的現場條件，采取三段式安裝方案，現場搭設桅桿門架，兩側節段采用豎向轉體施工方案，中間節段采用門架整體提升方案，大幅度提升了拱圈安裝的工業化水平，降低了施工風險，提高拱圈結構質量（圖3）。

圖3 豎向轉體施工設備

4 總結

本項目建成后，是安徽省境內目前跨徑最大，橋面最寬的斜跨拱橋，同時也是安徽省近年來最為重要的引江濟淮工程中首座建成通車的橋梁，為引江濟淮工程的順利推進奠定了基礎。

安徽境內通航河流較多，受路網規劃等方面的限制，大多數大跨徑橋梁無法滿足小角度或正交方式跨越河流，本橋的成功經驗，一方面規避了斜橋正做需要大規模增大橋梁跨徑規模的問題，同時這一橋型景觀效果較好，適合城市景觀提升需求。

基于本項目的多項研究成果：錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協同受力分析、基于BIM技術的三維正向設計等技術，可廣泛應用于同類拱橋設計中，大幅度提升同類橋梁結構的設計水平和結構耐久性。