八家堰大橋概念設計

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

摘要：八家堰大橋位于中國（綿陽）科技城新區(qū)，是科技城新區(qū)跨越安昌河的第一座大橋。八家堰大橋概念設計采用54+90+54m的連續(xù)剛構梁橋，上部結構采用波形鋼腹板預應力混凝土（PC）連續(xù)箱梁，下部結構采用V型橋墩。橋型方案兼顧美學、力學和抗震性能要求，建成后將成為新的城市標志性建筑。

關鍵詞：波形鋼腹板PC箱梁；V型剛構；概念設計

1 概述

作為中國（綿陽）科技城新區(qū)城市主干路科技城大道的重要節(jié)點工程，跨越安昌河的八家堰大橋建成后將極大方便兩岸交通，為整個科技城新區(qū)發(fā)展提速，將成為新的城市標志性建筑。在概念設計階段，基于該橋工程地質條件、融入現(xiàn)代化科技新城等特點，八家堰大橋采用波形鋼腹板PC箱梁的V型剛構組合結構橋梁，解決了城市橋梁在美學、力學和抗震性能等方面的要求[1，2]，并可為今后類似工程項目提供了一定的借鑒作用。

2 研究與應用現(xiàn)狀

2.1 波形鋼腹板PC箱梁橋

波形鋼腹板PC箱梁橋的研究與應用始于上世紀八十年代。隨跨徑增大，普通PC連續(xù)梁存在著腹板斜裂縫、跨中下?lián)?、自重過重、不利于抗震等不利效應。在大跨徑橋梁輕型化研究過程中，法國工程界提出了新型的、結構受力更合理的波形鋼腹板PC組合箱梁結構。

第一座波形鋼腹板PC箱梁橋是法國于1986年修建的Cognac高架橋[3]，上世紀80年代末日本從法國引進技術并進行了全方位研究，建成和在建橋梁近200座，成為世界上修建最多的國家[3，4]。其他國家如德國、韓國等均將該橋型結構應用于橋梁建設中。

我國自1998年起開始研究波形鋼腹板PC組合箱梁結構，對波形鋼腹板參數(shù)設計、屈曲特性、抗剪連接件分析剪力滯效應及橋梁建造等專題做過研究并取得了重要的進展，目前已有多座橋梁建成和在建，如江蘇淮安長征橋18.5+30.5+18.5m、山東鄄城黃河公路大橋70+11×120+70m、深圳東寶河新安大橋88+156+88m等[4]。

2.2 V型剛構橋

預應力混凝土剛構橋始于上世紀五十年代的德國[5]，在六十年代后期理論研究和施工方法逐漸完善，九十年代以后隨著高速公路交通事業(yè)發(fā)展迅猛，預應力連續(xù)剛構橋梁應運而生并快速發(fā)展。近二十多年來國內外建成了一些預應力混凝土V型支撐連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構。如英國卡埃萊斯橋71.9+132+71.9m、泰國Sathorn橋66+92+66m，國內的懷化舞水河二橋75+110+75m、桂林雛山漓江大橋67.5+95+67.5m、廣東中山東明大橋60+90+6m等[6]。V型墩連續(xù)剛構除了具有普通T型連續(xù)剛構橋的優(yōu)點外，受力更合理、景觀效果更美觀、經濟性更優(yōu)等，在城市橋梁、風景區(qū)公路常能見到其身影。

3八家堰大橋概念設計

八家堰大橋所跨越安昌河的河口寬度約240m，工程地質構造條件較簡單，歷史上有強震記載、地震活動強烈，地殼相對不穩(wěn)定，受“5.12”汶川大地震影響和龍門山主邊界斷裂發(fā)震的影響。

在概念設計階段為了體現(xiàn)“輕質、高強、耐久、美觀”等要求，本文研究并采用了波形鋼腹板PC箱梁的V型連續(xù)剛構橋梁，主要基于：1）橋型創(chuàng)新：綿陽多為常規(guī)拱橋和梁橋，多數(shù)服務年限較長；2）科技城屬性：應展現(xiàn)科技內含和科技含量，體現(xiàn)現(xiàn)代橋梁設計水平；3）抗震要求：地處多震區(qū)，應考慮采用有利于減少地震反應的輕型結構。

3.1 橋型結構選擇

現(xiàn)代城市橋梁不僅要滿足交通功能，更需考慮與周邊環(huán)境、景觀相協(xié)調。對于依水而建的城市，濱水景觀帶上的橋梁群，是城市水景的組成者和體現(xiàn)者。若橋型平淡，難以成為景觀節(jié)點；若過度張揚，難免阻斷城市景觀的連續(xù)性，產生喧賓奪主的景觀沖突。

八家堰大橋在橋型結構比選時，首先應對綿陽現(xiàn)狀橋梁調查分析。現(xiàn)有橋梁主要拱橋和梁橋，多數(shù)橋梁經過“5·12”地震后，結構底部出現(xiàn)裂縫，后雖經過加固處理，但橋梁美觀受到影響，對公眾心理安全也產生影響。若選擇拱橋或者梁橋，未能在形式上創(chuàng)新和突破，與科技城新區(qū)的屬性不相符。

然后，自錨式懸索橋和斜拉橋造價高，橋梁主塔的存在會在城市景觀中過于突出，不宜選用。鋼結構橋梁因自重較輕、抗震性能較好，上部結構不會產生裂縫，然而全鋼結構橋梁與混凝土結構橋梁相比建設造價過高，維修養(yǎng)護難度和成本高，不宜在城市跨越河道的橋梁中使用。

在概念設計階段，本文選擇了波形鋼腹板PC組合箱梁的V型連續(xù)剛構橋梁。

3.1.1 波形鋼腹板組合箱梁由混凝土頂?shù)装?、波形鋼腹板、橫隔板、體內外預應力索構成組合箱梁截面體系，充分利用了混凝土抗壓、波形鋼腹板抗剪屈服強度高的優(yōu)點，有效的將鋼、混凝土兩種材料結合起來，提高了材料的使用效率[8，9]。

波形鋼腹板PC組合箱梁，與傳統(tǒng)PC箱梁及全鋼結構箱梁橋相比，具有良好的經濟效益和社會效益：

1）腹板采用較輕的波形鋼板，上部結構自重大幅減輕，下部結構工程量也相應減小，極大的降低了工程總造價，改善了經濟指標。地震激勵作用效果顯著降低。

2）波形鋼腹板的褶皺效應，對縱向彎矩不起抵抗作用，縱向預應力可集中加載在箱梁上、下翼緣板。并且不約束箱梁頂?shù)装逵捎谛熳兒褪湛s等所產生的變形，改善結構性能，避免箱梁截面預應力損失，有效的提高了預應力效率。

3）鋼腹板制作可以實現(xiàn)工廠化、現(xiàn)場拼接施工，懸臂施工時梁體自重減輕，施工過程中減少大量的模板、支架、混凝土澆筑工作，減少節(jié)段數(shù)量，加快施工進程。

4）體外預應力索可以替換，橋梁結構長期運營后出現(xiàn)承載力不足時，或者鋼束磨損、斷裂時，可在封閉交通后進行更換或加固，便于橋梁維修、補強。

5）外荷載、混凝土收縮、徐變等影響下，傳統(tǒng)PC箱梁橋常常在腹板出現(xiàn)裂縫，造成混凝土截面削弱、鋼筋腐蝕等，波形鋼腹板PC箱梁則不會出現(xiàn)，結構的耐久性較好。

6）波形鋼腹板具有優(yōu)良的層次感和節(jié)奏感，對于大跨度變高度箱梁橋，橋梁立面富有韻律美感。

3.1.2 預應力混凝土V型連續(xù)剛構橋作為連續(xù)剛構橋的一種，具有橋面連續(xù)、行車平順，梁體內內力分部合理、充分發(fā)揮高強材料性能，結構整體性能好，抗震能力大的特點。與連續(xù)梁橋和T型剛構橋相比具有更合理的力學性能[6，7]。

1）V墩作用使得主梁計算跨度縮短，有效減小跨中和支點的彎矩峰值，降低了梁高，節(jié)約工程材料。主梁建筑高度的減少降低橋面標高、減緩縱坡，對城市橋梁來說，便于行人、非機動車通行，對減少兩岸引橋的高度和長度意義重大，改善總體經濟效益。

2）上部結構輕巧美觀，對于跨徑較大的橋梁，主梁采用變高度，梁底線隨著梁高變化而形成一條連綿優(yōu)美的曲線，V型墩頂直線作為主梁曲線的停頓，可以形成強烈的節(jié)奏感。與一般連續(xù)梁、T型剛構相比，景觀效果優(yōu)越，可以有效地避免結構景觀的雷同。

3）橋梁整體剛度可以得到大幅提高。特別是對于橋墩較高的橋梁，由于V型支撐的存在，極大的加大了支點附近梁的剛度，并相應減小了跨徑，使得結構的撓度較小。