大跨度下承式鋼箱提籃拱橋總體設(shè)計(jì)

黃國(guó)清

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510507）

汕頭市濠江區(qū)濠江一橋起點(diǎn)位于三聯(lián)工業(yè)園西南側(cè)500 m 處，路線沿西南方向延伸，跨越濠江后與河浦大道相接。項(xiàng)目的建設(shè)將有效地增加濠江過(guò)江通道，對(duì)于提升濠江區(qū)出行效率，完善區(qū)域路網(wǎng)具有重要的作用。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)速度60 km∕h；雙向六車(chē)道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)兼城市道路功能；公路一級(jí)荷載等級(jí)；設(shè)計(jì)洪水頻率為1∕100；基本風(fēng)速39.4 m∕s；通航等級(jí)為規(guī)劃Ⅳ級(jí)內(nèi)河航道，通航凈寬90 m，凈高8 m；地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，抗震設(shè)防烈度8 度。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

濠江一橋上部結(jié)構(gòu)體系為下承式鋼箱提籃拱橋，橋型總體布置如圖1所示，該橋橋?qū)?6.5 m，主跨145 m（拱軸線水平長(zhǎng)），理論跨徑149.24 m，豎向吊桿。主拱采用提籃式矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋橫向傾角為18°，矢跨比為1∕4.5。橋面系采用鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板的結(jié)合梁體系。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

1.2 主拱設(shè)計(jì)

1.2.1 主拱矢跨比

對(duì)大跨度下承式鋼箱拱橋而言，矢跨比是重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，顯著影響主拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力和拱腳水平推力，亦對(duì)拱橋的造型構(gòu)成影響。因此，考慮受力合理性與景觀優(yōu)美性，尋求一個(gè)最佳矢跨比方案是主拱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)[1]。

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，下承式拱橋矢跨比的選取一般介于1∕4～1∕6，而對(duì)于中小跨徑下承式提籃拱橋，不同的矢跨比對(duì)建筑造型影響尤為顯著，適當(dāng)選擇較低的矢跨比，可獲得較好的提籃效果。本文對(duì)矢跨比和拱軸系數(shù)等參數(shù)變化下，進(jìn)行了成橋階段受力分析，參數(shù)分析結(jié)果表明：矢跨比對(duì)拱肋跨中內(nèi)力影響較大，對(duì)拱腳內(nèi)力影響較小；矢跨比較小，跨中的正彎矩增大，而結(jié)構(gòu)的剛度有所降低，拱腳軸力和拱肋水平推力增大。總體而言，矢跨比在1∕4.0～1∕5.0 之間時(shí)拱肋跨中區(qū)域的彎矩值絕對(duì)值相對(duì)較小，拱腳和1∕4L位置拱肋的彎矩也在合理范圍內(nèi)，是比較優(yōu)的矢跨比范圍，如圖2所示。

圖2 不同矢跨比參數(shù)對(duì)拱肋恒載彎矩的影響對(duì)比圖

1.2.2 拱軸線的選擇

目前，大跨度下承式鋼箱拱橋的拱軸線常見(jiàn)線形有懸鏈線、二次拋物線、高次拋物線以及懸索線。懸鏈線、二次拋物線或懸索線，其區(qū)別在于對(duì)應(yīng)的拱肋結(jié)構(gòu)承擔(dān)恒載分布形式的不同，因而拱軸系數(shù)m的取值不同，當(dāng)m=1 時(shí)即為二次拋物線。選擇拱軸線的原則是盡量向壓力線靠攏，同時(shí)考慮外形美觀、施工簡(jiǎn)便等因素[2]。

對(duì)于大跨度下承式鋼箱拱橋，設(shè)計(jì)者常常采用懸鏈線或二次拋物線。采用懸鏈線拱時(shí)，本文分別選取拱軸系數(shù)等于1.1、1.2、1.4、1.6 時(shí)進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著拱軸系數(shù)的增大，恒載工況下拱腳負(fù)彎矩減小，拱頂正彎矩增大，內(nèi)力趨于不均勻；采用二次拋物線拱時(shí)，拱的內(nèi)力相對(duì)均勻。該橋?yàn)橄鲁惺戒撓涔皹颍袄叱袚?dān)近似均布荷載，經(jīng)計(jì)算分析表明，采用懸鏈線和二次拋物線內(nèi)力均滿足要求，其造型效果如圖3所示，拋物線較為高聳，與橋址平坦的周邊環(huán)境契合，故該項(xiàng)目推薦采用二次拋物線。

圖3 不同矢跨比和拱軸線的拱肋造型對(duì)比圖

1.2.3 主拱傾角的選擇

提籃拱是將平行拱肋向橋梁軸線方向傾斜，甚至在拱頂合龍，形成空間上的拱式結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性能，顯著降低施工中的面外穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，提升景觀效果。

主拱傾角大小對(duì)拱梁內(nèi)力分擔(dān)比例，面內(nèi)和面外剛度有較大影響，需結(jié)合拱梁剛度分配、抗風(fēng)穩(wěn)定和景觀效果等因素，對(duì)不同傾角進(jìn)行受力分析和施工方案研究，確保結(jié)構(gòu)受力安全可靠、景觀優(yōu)美[3]。本文分別選取傾角12°、15°、18°和20°進(jìn)行多方案分析，雖然12°傾角方案能夠獲得最優(yōu)穩(wěn)定性，考慮傾角18°方案拱頂靠得較近，提籃效果明顯，造型佳，拱梁受力和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，故推薦選用傾角18°方案。

綜合以上參數(shù)分析，拱肋矢跨比1∕4.5，拱軸線為二次拋線。主拱為鋼箱肋拱，截面為矩形，通過(guò)截面剛性旋轉(zhuǎn)傾斜，形成拱圈橫橋向水平傾角72°；截面主拱肋高度由跨中2.2 m 漸變至根部3.2 m，拱肋箱寬1.8 m。拱肋截面采用變高度，拱頂輕巧，拱腳厚重。拱肋斷面見(jiàn)圖4。

圖4 拱肋橫斷面（單位:mm）

1.2.4 風(fēng)撐道數(shù)和位置

該橋位于臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)，基本風(fēng)速39.4 m∕s，抗風(fēng)穩(wěn)定性要求高，而拱肋的最不利失穩(wěn)破壞形式一般為拱肋的面外橫向失穩(wěn)破壞，該文分別選取3 道、4 道、5 道和7 道風(fēng)撐進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定分析，選取“恒載+活載”和“恒載+風(fēng)荷載”荷載組合進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

a）“恒載+活載”為控制工況，雖然該橋基本風(fēng)速高，但由于拱肋截面迎風(fēng)面積較小，故荷載占比相較活載略小。

b）拱肋風(fēng)撐設(shè)置道數(shù)顯著影響抗風(fēng)穩(wěn)定性，至少設(shè)置4 道風(fēng)撐方可滿足規(guī)范要求。根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合景觀需求，拱肋推薦設(shè)置5 道風(fēng)撐，“恒載+活載”和“恒載+風(fēng)荷載”工況下的一階失穩(wěn)系數(shù)最小分別為13.6 和14.7（如圖5所示），滿足規(guī)范要求。

圖5 拱肋設(shè)置5道風(fēng)撐失穩(wěn)模態(tài)圖

1.3 主梁設(shè)計(jì)

1.3.1 主梁截面類(lèi)型的選擇

下承式鋼箱拱橋主梁截面形式一般有組合梁（混凝土橋面板）、疊合梁（鋼-混凝土組合橋面板）和全鋼梁（鋼橋面板）。經(jīng)分析驗(yàn)算，組合梁雖經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，但存在自重較大、混凝土耐久性和焊釘疲勞問(wèn)題，不推薦采用。相較于組合梁，疊合梁和全鋼梁自重較小，對(duì)主拱肋的內(nèi)力有利，但全鋼梁造價(jià)相對(duì)較高（表1）。綜合考慮技術(shù)成熟性、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性和維修養(yǎng)護(hù)便利性等因素，主梁采用疊合梁方案。

表1 主梁截面類(lèi)型比較表

1.3.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用雙邊鋼箱+鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)。橋面寬36.5 m，設(shè)計(jì)中心線主梁高2.85 m。主梁鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qC，其雙主梁結(jié)構(gòu)由縱梁、小縱梁、橫梁（分為中橫梁和端橫梁）組成，其斷面如圖6所示。橋面板采用鋼-混凝土組合橋面板，形式為帶PBL 剪力鍵的聚丙烯纖維混凝土組合橋面板。橋面板厚260 mm，其底板設(shè)置8 mm 厚的薄鋼板，在鋼板上橫向每400 mm、350 mm 設(shè)置一道PBL 剪力鍵，通過(guò)剪力鍵、鋼筋和纖維混凝土形成組合橋面板。

圖6 疊合梁主梁橫斷面（單位：mm）

1.4 吊桿設(shè)計(jì)

拱橋吊桿在拱上和梁上的錨固方式有多種方案，選擇時(shí)要考慮受力、張拉操作空間、美觀和耐久性等方面。拱上錨固方式有拱肋下吊耳式、拱肋箱內(nèi)錨固和拱肋頂張拉錨固等形式；鋼梁端的錨固方式有梁上吊耳式、梁內(nèi)錨固和梁底錨固等方式[4]。拱肋箱內(nèi)錨固方案的優(yōu)點(diǎn)是外觀美觀，對(duì)錨頭耐久性有好處，缺點(diǎn)是張拉操作空間比較緊張，且張拉千斤頂在拱內(nèi)搬動(dòng)也不方便。梁底張拉方案的施工相對(duì)方便，不足是縱梁底板需要開(kāi)孔，對(duì)主梁有削弱。梁頂張拉方案需要一套特制的工裝，且同一根吊桿需要兩個(gè)張拉千斤頂同步工作，對(duì)施工的要求較高。該橋經(jīng)綜合比較后選擇拱肋內(nèi)張拉錨固、梁上采用吊耳的錨固方式。

全橋拱肋共22 對(duì)吊桿，吊桿縱向間距6 m，橫向間距29 m。吊桿采用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索，外加聚乙稀護(hù)套加不銹鋼外套。吊桿型號(hào)為PES（C）7-85（91），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 770 MPa。

1.5 水平系桿索設(shè)計(jì)

水平系桿索是系桿拱橋中抵抗由于恒載與活載所引起的水平推力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，系桿索的設(shè)計(jì)不僅要考慮到其理論強(qiáng)度安全系數(shù)，而且必須考慮其耐久性、可維護(hù)性及可更換性。該橋水平系桿索采用31 孔可換索（環(huán)氧噴涂無(wú)黏結(jié)鋼絞線成品）式系桿，索體鋼絞線抗拉強(qiáng)度1 860 MPa 級(jí)，每個(gè)箱室設(shè)置6 根水平系桿索，全橋共設(shè)置12 根。

1.6 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主橋墩為圓端形流線門(mén)型橋墩，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩頂截面（單肢）尺寸為6.0 m（順橋向）×5.0 m（橫橋向），采用實(shí)心截面；墩頂設(shè)計(jì)橫向系梁，系梁高由跨中至根部為（2.0×4.0）m；承臺(tái)厚4 m，截面尺寸為13.2 m（順橋向）×8.2 m（橫橋向）。樁基采用D200 鉆孔灌注樁。

2 精細(xì)有限元仿真分析

2.1 仿真分析的目的

由于主拱拱腳區(qū)域、吊桿上錨固區(qū)和下錨固區(qū)受力較復(fù)雜，常規(guī)桿系模型難以掌握其應(yīng)力狀態(tài)，故重點(diǎn)對(duì)該三大區(qū)域建立精細(xì)化有限元模型，目的是了解和校核該受力復(fù)雜區(qū)的三維應(yīng)力狀況，為該橋的設(shè)計(jì)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)。

2.2 仿真分析結(jié)果

主拱拱腳區(qū)域?yàn)橹ё戳Α⒅鞴皟?nèi)力和主縱梁內(nèi)力的匯合點(diǎn)，其邊界條件極為復(fù)雜。精細(xì)化模型約束支座處節(jié)點(diǎn)的位移，約束主梁的跨中側(cè)端部節(jié)點(diǎn)縱向位移。在總體模型中提取主拱肋內(nèi)力并施工加于精細(xì)化模型對(duì)應(yīng)位置，對(duì)拱腳錨固端施加系桿水平力。仿真分析結(jié)果表明：

a）從應(yīng)力云圖可以看出，拱腳區(qū)域最大應(yīng)力330.6 MPa（如圖7所示），各構(gòu)件未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

圖7 精細(xì)有限元仿真分析結(jié)果（單位：MPa）

b）系桿錨固區(qū)錨箱應(yīng)力較集中，通過(guò)加厚錨墊板等措施加強(qiáng)后，錨箱的受力狀態(tài)良好，應(yīng)力不大于150 MPa，滿足要求。

c）該橋的最大支反力為27 500 kN，支座墊板厚度、支座加勁板的厚度和間距顯著影響區(qū)域內(nèi)板件應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)精細(xì)化仿真分析后，支座墊板厚度宜選取100 mm，加勁板間距宜控制在350～400 mm，加勁板厚度取30 mm 和40 mm，其應(yīng)力水平可控制在170～234 MPa范圍，滿足要求。

3 結(jié)論

a）大跨度下承式鋼箱提籃拱橋景觀性高，適用于300 m 跨度范圍以內(nèi)，跨越能力較大，建筑高度低，對(duì)有景觀要求的城市橋梁具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

b）對(duì)于中小跨徑下承式鋼箱提籃拱橋，矢跨比、拱軸線和拱肋傾角的選擇，除考慮拱肋的內(nèi)力合理性、經(jīng)濟(jì)性因素外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注美學(xué)效果。

c）拱橋吊桿在拱上和梁上的錨固方式應(yīng)結(jié)合受力性能、張拉操作空間、后期養(yǎng)護(hù)、景觀性和耐久性等方面進(jìn)行選擇。

d）主拱拱腳、吊桿上錨固區(qū)和下錨固區(qū)等區(qū)域受力復(fù)雜，利用精細(xì)有限元仿真手段，可掌握其受力狀態(tài)，可有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

汕頭市濠江一橋位于濠江區(qū)“一江兩岸”重點(diǎn)景觀節(jié)點(diǎn)，已于2021年8月順利建成通車(chē)，這一標(biāo)志性建筑成為了當(dāng)?shù)赜忠痪W(wǎng)紅打卡點(diǎn)。本文通過(guò)該橋的設(shè)計(jì)和各復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的研究，積累了些許經(jīng)驗(yàn)，可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)提供參考。