中等跨徑中承式提籃拱橋設(shè)計

康凱樂

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團佛山斯美設(shè)計院有限公司，廣東佛山 528200）

0 引言

提籃拱橋是拱橋的重要形式之一，由于拱肋內(nèi)傾，相同條件下其靜力穩(wěn)定性能比平行肋要好，而且它造型美觀，常被用來作為城市的標(biāo)志性建筑[1]。原哈爾濱建筑工程大學(xué)鐘善桐教授曾撰文指出提籃拱橋跨度可達(dá)600 m左右，隨著城市的發(fā)展，對橋梁景觀要求日益提高，提籃拱極具景觀效果的立面造型也用在了主跨70 m左右的中等跨徑橋梁上。

本文以廣東肇慶硯陽橋為工程實例，結(jié)合提籃拱的受力特點，介紹中等跨徑提籃拱橋的設(shè)計過程，通過數(shù)值分析對結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性進(jìn)行全面分析。

1 工程概況

硯陽橋位于廣東肇慶政文組團硯陽路，南臨硯陽湖，是組團的核心景觀區(qū)域，需要滿足橋梁景觀和南側(cè)行人對觀景的需求，橋梁風(fēng)格定位強現(xiàn)代感，主橋采用提籃式飛燕拱橋橋形。

橋梁全長343 m，主橋采用16.5 m+70 m+16.5 m的中承式提籃拱橋方案。車行道按雙向六車道布置，兩側(cè)各設(shè)非機動車道和人行道，全寬33.1 m。橋面開闊通暢，橋梁氣勢恢宏，橋型新穎美觀。

2 景觀設(shè)計

橋梁不是單獨的城市構(gòu)造物，是城市建筑的一個組成部分，橋梁、河流以及其它的建筑物共同構(gòu)成了一個完整的城市形象。它們之間相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，形成一個完美的城市景觀。

橋梁的結(jié)構(gòu)體系、體量與形態(tài)要與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，造型不安全、結(jié)構(gòu)上沒有穩(wěn)定感以及違反力學(xué)原理的也不是美的橋梁?，F(xiàn)代的橋梁設(shè)計發(fā)展趨勢是不再為了景觀而做景觀，避免多余的且結(jié)構(gòu)不需要的繁復(fù)變化。針對橋梁的規(guī)模及形象，選擇與之相適應(yīng)的色彩，可以更好的展示其功能美和形態(tài)美。

本方案主題為“硯陽新綠”，“綠”不但代表了以硯陽湖為核心的自然綠色景觀，也代表了肇慶新區(qū)的綠色交通理念。橋梁整體造型采用了葉片的形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計，極具現(xiàn)代感。功能上，車行橋和人行橋分建倡導(dǎo)了綠色交通的概念，使行人步行充滿趣味性。景觀上，橋梁的空間變化獨特，提供了豐富的觀景視角。橋梁整體涂裝色彩為白色系與灰色系組合，白色與灰色經(jīng)久耐看，既能與城市建筑色彩相融合，又能在橋梁周邊的自然景觀中凸顯出來，景觀效果相得益彰。

圖1 硯陽橋效果圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該橋兩片主拱采用提籃式矩形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋橫向傾角25°，主拱豎向高度21.875 m，矢跨比為1/3.2。副拱由拱腳向兩側(cè)上挑，與主梁固結(jié)。梁端張拉水平系桿以平衡拱腳推力。系梁為鋼箱梁，橫梁為工字鋼梁，系梁與橫梁之間采用高強螺栓連接。車行道采用混凝土橋面板，混凝土橋面板和鋼梁之間通過焊釘連接形成疊合梁結(jié)構(gòu)。無障礙人行天橋采用鋼挑臂懸掛于系梁外側(cè)，具有極佳的景觀和親水效果。吊桿采用平行鋼絲吊索，呈扇形狀布置，使橋梁富有張力和美感。

3.1 主拱設(shè)計

該橋主拱圈拱軸線為異形拋物線，主跨為70 m，拱高21.875 m，矢跨比為1/3.2。兩側(cè)副拱采用1.8次拋物線。拱肋采用2片提籃式箱形斷面拱肋，拱肋橫向傾角25°，腹板斜率不變，拱頂橫撐采用箱型結(jié)構(gòu)。拱肋采用變高度矩形截面鋼箱拱，高1.6～3.0 m，寬1.6 m。橋面以上拱腹板厚20 mm，頂、底板厚25 mm；橋面以下拱腹板厚40 mm，頂、底板厚40 mm。為了保證腹板、頂?shù)装宓木植糠€(wěn)定，主拱肋設(shè)縱向加勁肋?？v向加勁肋采用鋼板加勁，間距500 mm左右，高度200 mm，被加勁板板厚為25 mm以下時，加勁肋板厚16 mm，被加勁板板厚大于25 m時，加勁肋板厚20 mm。采用鋼材的型號為Q345q-D。

考慮受力和景觀要求，主拱肋向內(nèi)傾斜，形成提籃式拱。此橋橋面較寬且主跨不大，若拱高過大會形成陡拱，景觀效果較差。拱肋傾角大小影響體系剛度、拱肋與主梁的內(nèi)力分配、拱肋變形等一系列主橋受力性能，必須對不同傾角的拱肋進(jìn)行分析研究，以在安全的前提下確定一個較為經(jīng)濟、美觀的方案。 拱肋內(nèi)傾角對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，可以明顯改變拱橋的失穩(wěn)模態(tài)。隨著內(nèi)傾角的加大，結(jié)構(gòu)的1階穩(wěn)定性增加，但拱肋和主梁應(yīng)力均隨傾角的增加而加大。

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、穩(wěn)定、美觀等因素，推薦采用拱肋傾角25°的方案。

3.2 吊桿設(shè)計

吊桿間距對拱橋的視覺效果影響很大。影響吊桿間距的因素主要有主梁的布置、重量和施工方法等。梁上吊桿間距5 m和梁上吊桿間距6 m的立面效果見圖2、圖3。

圖2 梁上吊桿5 m間距立面布置圖

圖3 梁上吊桿6 m間距立面布置圖

該橋主梁推薦采用疊合梁，因橋?qū)捿^寬，自重大，所以吊桿間距不宜過大。本橋主跨較小，若采用較大索距，索數(shù)量較少，則沒有拱橋應(yīng)有的景觀效果。經(jīng)綜合考慮，本橋吊桿間距推薦采用5 m，預(yù)制橋面板跨徑采用2.5 m，兩吊點中間設(shè)橫梁，間距2.5 m。

吊桿選用平行鋼絲吊桿，由若干根φ7 mm的高強度、低松弛鍍鋅鋼絲并攏經(jīng)大節(jié)距扭絞而成，抗拉強度為1 670 MPa。錨具采用冷鑄墩頭錨，以φ1 mm～2 mm的淬硬鋼球、環(huán)氧樹脂及其它輔料的混合物作為錨固材料，拉索總成全部在工廠制作完成，工廠化程度高。

3.3 鋼拱腳設(shè)計

拱腳是拱橋的關(guān)鍵受力節(jié)點，該橋拱肋為全鋼結(jié)構(gòu)，鋼制拱腳插入混凝土拱座內(nèi)，與混凝土構(gòu)件共同受力（即鋼混結(jié)合構(gòu)件）。為使鋼混結(jié)構(gòu)共同受力，拱腳箱室隔板均開孔，箱室內(nèi)灌注混凝土，拱腳插入拱座的腹板、隔板開孔，孔內(nèi)穿鋼筋，形成PBL剪力鍵。拱座內(nèi)主鋼筋均與拱腳鋼板焊接，使主鋼筋能夠很好傳力，增加整體性。最后澆筑拱座和拱腳內(nèi)的混凝土，是拱腳與拱座連為一體。

3.4 主墩設(shè)計

主墩承臺上設(shè)拱座，用于支承主拱及副拱，采用C40鋼筋混凝土。拱座承壓面須與拱軸線形成的面正交，兩側(cè)擴大以擴散壓力。主墩承臺厚3.0 m，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，承臺平面尺寸為10.0 m×7.1 m，樁基采用直徑為1.6 m的鉆孔灌注樁。為平衡提籃拱在拱腳產(chǎn)生的橫向水平推力，兩承臺間設(shè)系梁，通過張拉系梁的預(yù)應(yīng)力平衡拱腳推力；為方便施工，平衡系梁自重，對系梁下面的土層采用CFG樁的地基處理。

4 結(jié)構(gòu)分析

由于提籃拱橋的空間效應(yīng)明顯，空間各方向超靜定約束較多，結(jié)構(gòu)計算不能單純通過平面桿系程序進(jìn)行簡化計算，應(yīng)通過空間有限元程序進(jìn)行全橋的三維有限元分析。采用空間有限元軟件midas建立空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計算，計算模型如圖4所示：

圖4 空間有限元計算模型圖

邊界條件設(shè)置如下，主拱與副拱固結(jié)于拱腳，副拱與邊跨主梁在梁端固結(jié)支承于邊墩上，邊跨主梁另一側(cè)梁端和中跨主梁梁端支承于主拱牛腿上。

4.1 靜力分析

計算工況參照橋梁施工順序，選取5個施工階段和一個運營階段：

（1）工廠預(yù)制鋼拱肋吊裝；

（2）拆除支架；

（3）吊桿初張拉；

（4）施工橋面系及考慮活載；

（5）調(diào)索；

（6）運營階段。

計算參數(shù)和組合均按規(guī)范要求取值和選用[2-3]。主要計算結(jié)果見表1。

表1 短期效應(yīng)組合下單元截面應(yīng)力列表（單元：MPa）

拱橋模型撓跨比為1/4 290，滿足規(guī)范要求。

計算結(jié)果表明，全橋截面強度、應(yīng)力驗算和變形驗算均滿足規(guī)范要求。

4.2 穩(wěn)定分析

該橋利用拱肋側(cè)向傾斜形成提籃形狀，空間效應(yīng)明顯，穩(wěn)定性題是該橋型方案成功與否的關(guān)鍵。圖5為恒載和活載作用下拱的屈曲模態(tài)。

圖5 恒載+活載作用下拱的屈曲

在恒載和活載作用下，1階屈曲模態(tài)形式為反對稱扭轉(zhuǎn)，臨界荷載系數(shù)為44。穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果均大于4，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

硯陽橋設(shè)計是拱梁組合體系在提籃拱上的運用和創(chuàng)新。該橋結(jié)構(gòu)新穎、受力復(fù)雜，在國內(nèi)同類型橋梁中屬于較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系。通過結(jié)構(gòu)計算與經(jīng)驗借鑒，并在設(shè)計中深入分析和優(yōu)化，使該橋上下部結(jié)構(gòu)合理，外形美觀、獨特，符合安全、經(jīng)濟和美觀的原則。

[1]吳沖.現(xiàn)代鋼橋（上冊）[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]JTJ025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]TB10002.2-2005,鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].