空間多肢彎斜鋼拱橋設計

李甲丁，李升玉，張海平，于智光

（東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

1 概述

本項目工程位于西寧市城北區北川河河谷地帶，是青海西寧環境綜合治理利用世行貸款項目城市排水收集管網工程配套橋梁工程之一。濱河西路屬北川河綜合治理核心區規劃城市道路，道路等級為城市支路，雙向兩車道，道路紅線寬度18 m，設計速度20 km/h，汽車荷載為城-B 級。

北川河為黃河上游重要支流湟水河的一級支流，古稱蘇木蓮河。河道在橋位處分為內外河，內河為在原有老河道基礎上改造而成的北川河濕地公園生態景觀河道；外河為新建60 m 寬人工河道，主要承擔防洪任務，內外河被人工堤壩相隔。

通過多輪的比選和優化，經過主管部門及相關專家綜合評價后，確定依次跨越內河、外河的兩跨空間鋼拱橋方案為實施方案（見圖1）。橋梁方案設計采用“群山、飛鳥”為意向，以雄偉壯麗的昆侖山脈為背景，通過鮮活的造型之美，營造具有活力、時尚、大氣文化氣息的結構形態。方案高低起伏、躍躍欲飛的藝術動感造型，彰顯出西寧大氣、活潑的城市氣質[1]。

圖1 濱河西路橋效果圖

2 總體設計

橋梁采用兩跨空間鋼拱橋，分別斜跨北川河內河和外河，跨徑布置為95 m+110 m=205 m，橋梁范圍平面位于R=220 m 的圓曲線、A=104.881 m 的緩和曲線及直線段上，含兩側橋臺側墻全長236.5 m，含兩側各1.5 m 吊桿區橋面總寬21 m，按整幅橋設計[2]（見圖2）。

圖2 橋梁平立面布置圖（單位：m）

拱結構為兩跨有推力無鉸連拱體系，拱肋為平行四邊形鋼箱截面，拱肋在混凝土橋臺側墻、中墩拱座處固結，中墩處相鄰拱跨部分水平力相互抵消，其余水平力由墩臺群樁基礎承受，樁基持力層為中風化泥巖。

主梁結構為兩跨連續梁體系，采用單箱三室帶風嘴扁平鋼箱梁截面，墩臺處設置球鋼支座。主梁與拱肋僅通過吊桿連接。吊桿為放射狀空間索面，在拱肋處集中錨固于拱頂區域，在主梁跨中0.45～0.65 倍跨徑范圍等間距錨固。鋼拱梁均采用Q345qE 材質，吊桿為1 860 MPa 整束擠壓鋼絞線拉索。

中墩拱腳處設置下沉式階梯狀弧形觀景梯道（見圖3），使市政道路人行系統與河堤堤頂既有游步道相連，豐富了行人的觀景體驗和層次。弧形平臺采用縱橫梁+整體鋼橋面板的空間鋼結構，通過T 形變高鋼托板形成1∶3 坡率臺階，頂面為50 mm 厚塑木鋪裝。

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：m）

梯道在主梁處通過多個板式橡膠支座支座支承于鋼箱梁風嘴區隔板，縱橫梁交點處通過多個矩形混凝土立柱支承于拱座承臺頂面，梯道落地處支承于擴大基礎頂面。

橋梁施工采用先梁后拱的施工順序，內河搭設鋼管樁少支架，分節段吊裝主梁縱橫向節段，外河根據防汛要求采用鋼箱梁整體節段頂推施工。完成主梁拼接后在主梁上搭設拱肋支架，進一步完成拱肋節段拼裝。

為適應當地高海拔、強日照、高紫外線的氣候條件，加強鋼結構耐久性，鋼拱外表面涂裝方案為噴砂除銹Sa3.0 級+120 μm 電弧熱噴鋅鋁合金+30 μm環氧封閉漆+150 μm 環氧云鐵中間漆+100 μm 聚硅氧烷面漆。

本橋為復雜空間異形景觀橋梁，設計過程中存在諸多傳統設計手段無法表達的問題，因此本項目采用Rhino 概念設計→CATIA—BIM 正向設計→Midas Civil 總體分析→Ansys 局部分析→輔以AutoCAD 二維出圖的設計流程來實現。二維圖紙中所需的參數通過Grasshopper 參數化編程從三維模型中批量導出，設計成果除常規紙質二維圖紙外，同步提交三維BIM 模型（見圖4）。

圖4 全橋BIM 模型（達索CATIA）

3 空間拱軸線設計

常規大跨徑拱橋平面一般位于直線段，即使位于圓曲線上時也往往采用彎橋直做的設計手段，通過加大橋面寬度及拱肋間距來適應平曲線矢高，以保證橋面車道連續。

拱肋一般也位于豎直平面或斜平面上，根據跨徑、吊桿布置形式等結構受力因素常采用圓弧線、拋物線、懸鏈線或直線+圓弧組合的折線型拱軸線。

由于本橋平面位于小半徑圓曲線（R=220 m）、緩和曲線及直線段上,采用常規設計思路將拱肋均布置于一平面內時，需拉開拱肋間距，拱腳在墩臺處與主梁間距遠，主梁與拱肋結構景觀整體性不好，且橋梁占地紅線較大。本橋結合道路線形及墩臺布置，通過沿路線方向扭轉拱軸線（見圖5）以滿足結構整體性及視覺上的美觀要求。

圖5 拱軸線空間扭轉

由于拱軸線布置在空間扭面，采用圓弧線等常規拱軸線線形時均存在線形表述困難、過渡不順等問題，因此本橋拱肋拱軸線采用空間樣條曲線擬合，通過從BIM 模型中導出拱軸線及控制截面（見圖6），導入總體計算模型后經計算反饋調整（見圖7），使拱軸線能兼顧結構受力與外觀線形。

圖6 BIM 模型中空間拱軸線導出（cad 格式）

圖7 三維桿系計算模型（Midas Civil）

為便于施工單位加工制造及紙質圖紙表述，間隔一定距離給出拱軸線、外輪廓、橫隔板定位點坐標。廠家結合BIM 模型進行深化設計，并逐段定制匹配胎架，使定位點之間的板件通過平順的弧線過渡，以保證設計拱軸線及拱肋外形效果得以完整的展現。

4 多邊形變截面多肢拱肋設計

4.1 多肢拱肋設計

本橋為有推力無鉸拱體系，95 m 跨及110 m 跨鋼拱肋中心線最高點距橋面分別為30 m、36 m，矢跨比分別約為1/3.17 和1/3.06，拱肋與鋼梁之間僅通過吊桿連接。鋼箱拱肋單肢為斜平行四邊形斷面，傾角65°～75°，截面尺寸及形式沿拱軸線全長變化，斷面變化形式如下：主拱分別在拱頂處相交，呈整體梯形斷面，拱頂向兩側逐漸變寬，分叉后斷面變為平行四邊形。之后拱肋向橋臺方向沿軸線逐漸變窄變高；拱肋再次分開為兩肢，斷面均為平行四邊形；拱肋向橋梁中墩方向分叉后沿軸線變窄變高，再次分開為橫向雙肢（見圖8）。

圖8 平行四邊形拱肋過渡變化示意

鋼箱拱肋壁板厚為20～30 mm，局部根據受力有調整，縱向加勁肋為板式肋，間距為400～500 mm。普通橫隔板與拱軸線垂直，標準間距2 m，板厚14 mm，吊桿處設鉛錘橫隔板，板厚20 mm。典型鋼拱肋斷面見圖9。

圖9 典型鋼拱肋斷面（單位：mm）

由于拱肋截面尺寸及角度不斷變化，橫隔板的尺寸各不相同，通過參數化批量建立全橋橫隔板模型并提取橫隔板輪廓線及尺寸數據信息用以輔助繪制二維紙質圖紙。

由于拱肋存在多處豎向、橫向分肢結構，因此板件在分肢處的結構構造是設計需要考慮的重點。已建成的景觀鋼拱橋分肢結構一般為明顯的主次受力結構[3]，以主肢受力為主，分肢受力較小（見圖10）。本橋拱肋橫豎向分肢均為主要受力結構，因此對于分肢處的構造需采用與之不同的構造形式。

圖10 部分已建成景觀拱橋鋼拱分肢構造

本橋拱肋分肢處參考三塔懸索橋中鋼塔的底部分叉點設計構造[4]，采用坡口熔透傳力的局部構造形式以保證板件的均勻傳力。拱肋分肢板在交匯前由斜腹板逐漸扭轉為直腹板，并在距離交匯點150 mm附近設置加厚橫隔板來加強局部穩定性（見圖11）。

圖11 分肢點熔透傳力構造示意（單位：mm）

經結構計算承載能力極限狀態下除拱肋處拱腳局部最大應力值約為210 MPa外，其余應力基本在100～150 MPa，拱腳處經ANSYS 局部模型分析后實際板件應力除局部應力集中點外均小于150 MPa（見圖12）。

圖12 Y 形拱腳節點局部分析（ANS YS）

采用彈性穩定理論對拱肋結構進行屈曲分析，拱肋結構在恒載+活載+風載工況下屈曲系數為27.1＞4，失穩模態為拱肋橫彎（見圖13），表明結構具有足夠的穩定安全性。

圖13 一階失穩模態（拱肋橫彎）

4.2 拱腳節點設計

除拱肋分肢構造外，本橋拱腳節點構造是拱肋設計的另一個重點。根據建筑外形、結構受力需要的不同，在橋臺橋墩處分別采用了不同的拱腳節點構造。

橋臺處拱腳支承于橋臺側墻，為使拱腳處外形簡潔，采用了承壓傳剪埋入式拱腳（見圖14），橋臺拱腳節點截面壁板厚度24 mm，端板厚度60 mm，沿拱肋四周間隔150 mm 均布φ22×150 mm 剪力釘，并在插入段設置普通鋼筋加強筋，在對側墻頂面1.5 m 高度范圍內的拱肋內灌注混凝土。相比于常規橋臺結構，本橋根據拱肋及樁基布置的需要采用了較長的側墻長度。

圖14 橋臺承壓傳剪插入式節點

中墩處拱腳節點受力較大，因此采用完全承壓式節點構造（見圖15）。由于弧形人行梯道置于節點上方，拱腳處局部加強的靴梁及預應力粗鋼筋等構造對建筑外形影響較小，建筑外形和結構受力均能得到兼顧。拱腳處采用80 mm 厚承壓板，并采用1 000 mm高度靴梁以加強承壓板剛度。承壓板與混凝土拱座之間設置50 mm 微膨脹高強環氧砂漿后壓注層。沿拱腳四周間距500 mm 布置直徑50 mm 高強螺紋鋼筋，鋼筋伸入承臺，并在固定端設置錨板，預應力鋼筋張拉力為750 kN，以保證承壓板截面全截面受壓。

圖15 中墩拱座完全承壓式節點（單位：mm）

5 吊桿及主梁設計

本橋吊桿在拱頂區沿拱肋中心線間距1.8 m 錨固，在鋼主梁上間距為沿道路設計中心線間距5 m，110 m 跨跨中設15 對吊桿，95 m 跨跨中設12 對吊桿，均采用GJ15-12 整束擠壓鋼絞線拉索體系，成橋索力450 kN。

本橋通過BIM 參數化手段定義錨箱及耳板板件尺寸、布置原則等與吊桿角度之間的設計原則（見圖16），使得錨點構造可以自動適應不同的吊桿角度,進而從BIM 模型中批量提取板件結構尺寸及形狀參數，并借助碰撞檢查功能進行凈空及沖突點核查。

圖16 吊桿錨點BIM 模型示意（梁拱壁板未示）

為使主梁結構具有較大的抗扭剛度，并且自身能承受相當的荷載，主梁采用閉口扁平多箱室鋼箱梁結構。主梁受力體系為在跨中吊桿區多點彈性支承的兩跨連續結構，固定支座設置在中墩，兩側橋臺設置滑動支座（見圖17）。根據受力需要避免支座脫空，鋼箱梁梁端內側局部采用混凝土壓重處理。

圖17 鋼主梁支承體系（單位：m）

為適應道路路線于內外河及河堤之間的斜交關系，上下部均斜橋斜做。小樁號橋臺斜交80°，河堤處中墩斜交70°，大樁號橋臺側斜交75°。為適應鋼箱梁斜交布置，中墩處采用橫隔板正交并加密布置，通過支座分別支承于不同隔板上實現斜交。橋臺側通過橫隔板的角度漸變實現（見圖18）。

圖18 墩臺斜交處橫隔板設置示意

鋼主梁橋面鋪裝采用4 cmSMA13 和9 cm 厚C50補償收縮鋼纖維防水混凝土，通過φ13 mm 焊釘保證與鋼橋面板的連接（見圖19），結構計算時不考慮鋼纖維混凝土層參與受力。鋼纖維抗拉強度不小于600 MPa，鋼纖維摻量為60 kg/m3。為提高鋼主梁安全儲備，避免中墩頂面鋪裝局部開裂，鋼纖維混凝土鋪裝次序為先跨中后中支點，并在中墩頂范圍設置20 mm 直徑HRB400 縱向加強鋼筋。

圖19 鋼主梁橋面鋪裝（單位：mm）

6 結語

西寧北川河濱河西路橋通過全過程的BIM 正向設計，應用了樣條曲線擬合空間拱軸線設計、多邊形變截面分肢拱肋參數化設計及空間索面布置及錨固定位等技術手段，解決了異形空間鋼拱橋設計中得諸多難題。施工過程中鋼結構加工單位依靠三維BIM 模型提供的數據支撐，成功解決了橋梁拱肋成型及三維放樣等難題，確保施工對結構形態的還原度，有效提高了橋梁的施工效率。

本橋于2019 年12 月開工建設，2021 年6 月建成后的橋梁成為西寧北川片區的焦點景觀，產生了良好的社會效益。2021 年9 月作為組成項目之一通過世行項目完工檢查評估，獲得“高度滿意”的最高評級。