東灣大道沙涌橋設計構思

李學松

（東莞濱海灣新區工程建設中心，廣東 東莞 523120）

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，各地對橋梁結構的美學要求越來越高，景觀橋梁的建造越來越多，特別是各地規劃的新區建設，都要求橋梁能夠成為該區域內的景觀亮點。

拱橋作為一種歷史悠久的建筑形式，具有造型優美、曲線圓潤、富有動態感等特點，且跨徑布置靈活，是城市景觀橋梁中的首選。對于中承式及下承式拱橋需設置吊桿，常規的公路拱橋中一般采用柔性吊桿，但是在城市景觀橋梁中，為滿足景觀方面的需求，采用剛性吊桿以體現橋梁的造型美[1-2]。

1 工程背景

1.1 建設條件

橋址位于珠江入海口附近的沖擊平原上，跨越的河道規劃河頂寬度92 m，河底寬50 m，涌底標高-2.0 m，河涌斷面如圖1 所示，該河涌作為區域內的中央水系，將打造沿河的景觀綠化帶。

圖1 河道規劃斷面

道路紅線寬度60 m，中分帶12 m，中分帶下布設有5 艙室綜合管廊，管廊結構寬度12 m。

地勘揭示：地表覆蓋層為第四系地層，下伏基巖為奧陶紀早奧陶世花崗巖，持力層為中風化巖帶，單軸飽和抗壓強度為11～25 MPa。

1.2 技術標準

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設計荷載：城—A 級，人群荷載按規范取值[3]。

（3）設計車速：V=60 km/h。

（4）設計水位：按P =1%潮水位3.46 m 控制。

（5）抗震設計標準：地震基本烈度為7 度，地震動峰值加速度為0.1g。

（6）設計風速：設計基本風速V10=32.2 m/s。

（7）耐久性設計環境類別：Ⅲ類[4]。

2 設計構思

本項目橋梁周邊在建的橋梁均進行了景觀重點打造，甚至有作為區域標志性建筑的橋梁。為了既能有效融合周邊文化景觀，又能突出本橋梁特色，本橋以草編為設計語言，以張開的雙翅為設計意象。兩片拱橫跨水面，向兩側舒展，表達了建設地區積極進取、飛向未來的城市精神。

規劃河道總寬92 m，河道兩側規劃有綠道，堤頂路與本道路平交，為保證沿河慢行系統的連貫，結合總體景觀方案，橋梁采用3 跨結構。主跨跨越主要水域，兩邊跨作為慢行系統穿越通道，主拱支撐于兩個橋墩上，裝飾拱延伸跨過邊跨，支撐于橋臺上。

2.1 橫斷面布置

道路中分帶寬度12 m，下面布置有5 艙室綜合管廊，此范圍內不能布置橋梁基礎，因此橋梁采用分幅布置，單幅只能在外側設置單片拱，全橋設兩片拱，兩幅橋之間采用橫梁連接。橋面橫向布置為：6 m（人非混合道）+0～6 m(鏤空區)+3 m（拱區）+0.5 m（防撞護欄）+16.25 m（機動車道）+ 0.5 m（防撞護欄）+9.5 m（中分帶）+ 0.5 m（防撞護欄）+16.25 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）+3 m（拱區）+0～6 m（鏤空區）+6 m（人非混合道）=62～74 m。

2.2 矢跨比選擇

矢跨比f/L 是描述拱橋特性的一個重要參數，它不但影響主拱內力，也關系到拱橋的建筑造型。根據經驗，拱橋矢跨比一般為f/L=1/4～1/6。

本橋主拱拱軸線間跨度85 m，含裝飾拱總跨徑110 m，主拱拱軸線采用二次拋物線。下面分別取矢跨比f/L 為1/4、1/5、1/6 進行比選，不同矢跨比對應的矢高見表1。

表1 不同矢跨比對應拱肋矢高

主拱為受力結構，其矢跨比大小將影響拱肋的穩定性、拱腳軸力以及拱肋水平推力等。對于本橋，根據計算對比，由于跨徑相對較小，矢跨比變化帶來的影響不是太大，因此主要結合景觀要求來進行對比。從表1 可見，當主拱采用1/5 矢高時，對裝飾拱矢跨比為1/6.35，已小于1/6，且本橋拱肋整體外傾20°，立面投影矢高15.97 m，此時視覺感受拱肋更平坦舒展，因此本橋推薦矢跨比f/L＝1/5。

2.3 吊桿間距比選

吊桿疏密程度對拱橋的景觀效果有很大影響。主梁的結構形式、線集度以及施工方法等是影響吊桿間距的主要因素。結合主梁結構形式以及制作運輸的需求，本項目對吊桿間距分別為4 m、6 m、8 m的立面效果進行對比。

本橋采用整幅布置，橋面寬，吊桿間距不宜過大。吊桿間距的選擇應考慮到橫梁的布置。本橋采用剛性吊桿，吊桿尺寸相對較大，若吊桿間距太小，吊桿根數較多，視覺通透性不好，且不經濟。綜合上述分析，本橋吊桿布置間距采用6 m，相鄰吊桿之間設一道空腹式橫隔板，間距3 m。

3 方案研究

3.1 橋型布置

全橋跨徑組合為（9+88+9）m，主跨88 m 采用雙肢異型鋼箱系桿蝴蝶拱橋方案。兩片主拱采用六邊形鋼箱結構，拱肋橫向外傾，傾角20°，矢跨比為1/5。主梁為鋼箱梁，梁高2.5～3.0 m，中橫梁為工字鋼梁，主梁與橫梁之間采用焊接。車行道采用鋼橋面板，10 cm C50 混凝土+10 cm 瀝青鋪裝。混凝土鋪裝和鋼梁之間通過焊釘連接。人行道采用鋼橋面板，吊桿采用H 型鋼吊桿。主橋為單跨簡支結構，拱梁固結，墩頂設球形抗震支座。邊跨采用預制空心板結構，梁高65 cm。橋型立面及橫斷面如圖2、圖3 所示。

圖2 橋型立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面布置（單位：cm）

3.2 主梁

主梁采用全鋼結構，通過在兩幅鋼箱梁之間設置工字型橫梁，組合成縱橫梁體系。主梁單幅采用整體式單箱多室結構，共分為四個箱室，其中系梁為一個獨立小箱室，箱室寬度約2.3 m，其余箱室寬度約5.0 m，主梁結構中心線處梁高3.0 m，梁面設2%的雙向橫坡，梁底水平。

主梁兩側人行道以挑臂形式與主梁連接，挑臂長度6～12 m，人行道位于挑臂外側，寬度6 m，剩余部分非橫梁位置鏤空。

3.3 主拱

主拱肋線型為二次拋物線，拱平面相對道路外傾20°。如圖4 所示，主拱肋采用正六邊形鋼箱截面，對角線截面寬度2.2 m，拱腳處漸變為矩形截面，寬度2.2 m，高度與正六邊形同高。拱肋頂、底板及腹板均設置縱向加勁肋。主拱拱段間隔1.5～2.0 m 設置一道隔板。

圖4 拱肋標準橫斷面

3.4 裝飾拱

裝飾拱拱肋采用正六邊形鋼箱梁截面，對角線截面寬度2.2 m。拱肋頂、底板及腹板均設置縱向加勁肋。裝飾拱拱段間隔,1.5～2.0 m 設置一道隔板。

主拱拱肋局部外包裝飾，與裝飾拱相連，外包裝飾采用薄鋼板焊接而成，拱肋裝飾與拱肋工廠一起節段制作，現場拼裝焊接連接。

3.5 吊桿

吊桿為工字型骨架，在骨架外包覆裝飾板，形成六邊形截面以達到景觀效果，吊桿截面高度60～120 cm，線性變化。靠近拱肋及梁體的一部分吊桿分別與拱肋、梁體節段在工廠制作，其余段落采用現場安裝，吊桿對接安裝采用焊接連接方式。

3.6 主墩基礎

主橋的橋墩采用柱式墩，尺寸為2.0×2.0 m。墩柱采用C45 混凝土。

外側拱腳下部4 個橋墩承臺為矩形鋼筋混凝土結構，邊長6.6×6.6 m，厚度2.5 m；內側鋼梁下部4個橋墩承臺為矩形鋼筋混凝土結構，邊長6.6×2.6 m，厚度2.5 m，承臺采用C35 混凝土。承臺混凝土屬大體積混凝土，施工時需采取可靠的散熱措施來保證澆筑混凝土的質量。

外側拱腳下部4 個橋墩采用4 根直徑1.6 m 的鉆孔灌注樁基礎，內側鋼梁下部的4 個橋墩采用2根直徑1.6 m 的鉆孔灌注樁基礎，樁基均為鋼筋混凝土結構，采用C35 水下混凝土。根據地質資料顯示，本工程樁基均按照嵌巖樁設計，樁基持力層設在中風化花崗巖。

3.7 施工方法

主橋施工方法步驟如圖5 所示。

圖5 主橋施工步驟

4 靜力分析

采用Midas/Civil 2020 軟件建立本橋的三維模型，拱肋、主梁及吊桿均采用梁單元，模型如圖6 所示。

圖6 MIDAS 模型圖

4.1 拱肋

荷載基本組合效應作用下，拱肋沒有出現拉應力，全部處于受壓狀態，最大壓應力159.7 MPa，最小壓應力46.0 MPa。

4.2 主梁

荷載基本組合效應作用下，主梁最大壓應力164.6 MPa，最大拉壓應力200.4 MPa。最大應力處為端橫梁人行道挑臂根部，該位置無車輪作用，行道面板有車輪作用的位置最大壓應力為72.9 MPa。

4.3 剛性吊桿

荷載基本組合效應作用下，剛性吊桿最大壓應力80.6 MPa，最大拉壓應力181.5 MPa。

4.4 豎向位移

人群及車輛荷載共同作用下拱肋最大豎向位移為13 mm，主梁最大豎向位移為20 mm，人行道挑臂的最大豎向位移為29.3 mm。

4.5 結構屈曲模態

在恒載和活載作用下，模態一屈曲形式為鋼拱的對稱失穩，臨界荷載系數為11.33，滿足要求，如圖7所示。

圖7 恒載+ 活載作用下拱的屈曲

5 動力特性分析

橋梁結構的動力特性主要包括自振頻率和主振型，反映了結構的剛度指標，對于正確進行橋梁抗震設計具有重要意義。計算模型邊界條件采用模擬支座剛度的彈性支承，采用子空間迭代法計算前20 階振型，表2 僅列出前5 階主要振型。

表2 動力特性計算表

6 剛性吊桿抗風性能

剛性吊桿由于結構簡單、剛度大，有助于拱承受面外屈曲，但細長構件，空氣動力性能不佳，容易產生風致振動，因此本項目重點關注剛性吊桿的抗風性能，并開展了吊桿抗風性能的專題研究。

風洞實驗取跨中最長吊桿進行模擬實驗，吊桿實際長度17 m，模型縮尺比為1∶12，實驗過程中未發現弛振、顫振等不利風致振動；在150°風偏角下跨中位移達到最大值，為0.01 m，滿足規范中吊桿風致振動最大振幅限值的要求。

7 結 論

在體現拱橋跨徑布置靈活的前提下，結合主拱及裝飾拱設計，構思了一座三跨剛性吊桿系桿拱橋，滿足了規劃關于河道兩側慢行系統連續的要求。同時，對剛性吊桿的抗風性能展開研究。目前該橋已交付運營，狀態良好，其設計構思對今后類似工程具有參考意義。