新橋大橋設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新分析

竇巍，張浩 ，張家玉

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概述

濟(jì)祁高速三覺互通連接線工程位于安徽省淮南市壽縣，西接濟(jì)祁高速三覺互通，橫穿新橋國際產(chǎn)業(yè)園，東連新橋大道，是新橋國際產(chǎn)業(yè)園及沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通出行的重要載體，項(xiàng)目路線全長11.8km，采用雙向六車道一級公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中特大橋——新橋大橋，為本項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)工程。

2 橋型選擇及橋跨布置

新橋大橋全長726m，橋跨布置為：10×30 m（預(yù)制箱梁）＋150m（斜跨拱橋面系跨徑）＋9×30m（預(yù)制箱梁），主橋一跨越規(guī)劃江淮運(yùn)河河道，主橋?yàn)樾笨玟撓涔皹颍髁簶蛎嫦悼鐝綖?50m，鋼箱拱跨徑170m，拱肋矢跨比為1/2.618（0.3819）。拱肋斷面采用鋼箱斷面，斷面尺寸為7m×3.8m；主梁由邊縱梁及正交異性鋼橋面板組成。橫梁中心高3.3m，邊縱梁高2.935m（圖1）。

圖1 主橋立面布置圖

主橋橫斷面布置：0.5m（護(hù)欄）＋5.5m（混行輔道）＋4.1m（吊索區(qū)）＋14.5m（機(jī)動車道）＋0.5m（護(hù)欄）＋14.5m（機(jī)動車道）＋4.1m（吊索區(qū)）＋5.5m（混行輔道）＋0.5m（護(hù)欄），全寬49.7m（圖2）。

圖2 主橋平面布置圖

基于本項(xiàng)目總體概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在調(diào)研國內(nèi)外同類橋型的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，在局部構(gòu)造設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步作出創(chuàng)新，包括斜拉式主拱理論拱軸線設(shè)計(jì)方法、錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協(xié)同受力分析、基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)、主拱圈分段式轉(zhuǎn)體施工工藝。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中主要存在的難點(diǎn)：橋梁與河道斜交，整體景觀控制難度大；斜跨拱拱軸線設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)拱橋，受力機(jī)理介于拱橋與斜拉橋之間；本橋吊桿受力機(jī)理更接近斜拉橋，吊桿錨固方式需綜合二者優(yōu)點(diǎn)；斜跨拱為有推力拱，在軟弱地基中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度大；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)空間特性明顯，關(guān)鍵構(gòu)造三維放樣難度大；拱圈整體高度較高，支架搭設(shè)難度大。為解決以上設(shè)計(jì)與施工難題，針對本橋的建設(shè)，研發(fā)了基于視角分析的斜橋正做總體概念設(shè)計(jì)、斜拉式主拱理論拱軸線設(shè)計(jì)方法、錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協(xié)同受力分析、基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)、主拱圈分段式豎向轉(zhuǎn)體施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基于視角分析的斜橋正做總體概念設(shè)計(jì)

本橋在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了多輪匯報(bào)，基本確定采用拱橋方案，通過拱形結(jié)構(gòu)形成“門”式造型，以滿足本項(xiàng)目作為區(qū)域門戶的理念。但由于路線與規(guī)劃航道斜交角度過大，經(jīng)分析，本橋的主要景觀視角為航道行船視角和堤頂行人行車視角，在視角分析的基礎(chǔ)上，將拱圈做成斜跨拱，這樣就將一座斜橋做成了正橋的效果，從主要視角上來看，主拱效果端正，契合了區(qū)域發(fā)展理念。

3.2 斜拉式主拱理論拱軸線設(shè)計(jì)方法

基于本橋采用斜跨拱方案，部分吊桿傾斜角度較大，由于行車道凈空范圍的影響，吊桿基本都錨固在拱頂范圍，且吊桿力差別較大，拱圈受力規(guī)律與傳統(tǒng)拱橋大為不同，受力特性介于拱塔斜拉橋與傳統(tǒng)拱橋之間，不能單純采用傳統(tǒng)拱軸線計(jì)算方法。本橋在確定拱軸線方程時(shí)，以傳統(tǒng)拱軸線設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，綜合考慮了斜拉橋合理成橋索力及倒拆正裝理論，成功推導(dǎo)出本橋合理拱軸線，優(yōu)化了拱圈尺寸，最大幅度地節(jié)約了工程造價(jià)。經(jīng)計(jì)算，本橋合理矢高為64.93m，矢跨比為1/2.618，理論拱軸線方程為：

Y

3.3 錨拉板式吊桿錨固方法

本橋的吊桿在順橋向和橫橋向均有不同的傾斜角度，且每根吊桿傾角均不相同，采用傳統(tǒng)吊桿錨固方式，基于鋼縱梁內(nèi)空間較小，錨固及張拉難度較大，且后期不便于吊桿錨頭的檢修更換，存在一定的管養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到本橋的吊桿受力特性更為接近斜拉橋，因此借鑒了鋼箱梁斜拉橋拉索錨固方式，將錨拉板構(gòu)造移植到斜跨拱橋中，既滿足結(jié)構(gòu)受力需求，同時(shí)吊桿張拉空間得到保證，后期檢修及吊桿更換也較為方便。

3.4 基于M法的樁拱梁協(xié)同受力分析

本橋采用斜跨拱橋方案，無法采用常規(guī)的無推力系桿拱橋方案，因此設(shè)計(jì)采用了拱座結(jié)構(gòu)平衡拱圈推力。但本橋地質(zhì)條件較為一般，不能將拱座置于基巖上，設(shè)計(jì)需要考慮拱圈基礎(chǔ)受力。本橋設(shè)計(jì)中，采用樁基礎(chǔ)與拱圈、主梁整體建模的方式，基于M法合理推導(dǎo)樁基與土體之間的土彈簧剛度，合理考慮樁基與拱圈、主梁協(xié)同受力，準(zhǔn)確模擬了本橋的全橋剛度。

3.5 基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)

本橋設(shè)計(jì)中，對BIM技術(shù)的應(yīng)用是由設(shè)計(jì)需求決定的。本橋吊桿布置空間角度復(fù)雜，導(dǎo)致拱上及梁上錨固構(gòu)造較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)難以滿足后期施工需要。因此，本橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM設(shè)計(jì)方法，針對復(fù)雜的局部構(gòu)造，采用了三維正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果一方面通過投影方法在圖紙中得以展現(xiàn)，同時(shí)將BIM設(shè)計(jì)成果通過合適的方法移交施工及鋼結(jié)構(gòu)加工單位，確保了局部構(gòu)造施工安裝的準(zhǔn)確性。

3.6 主拱圈分段式豎向轉(zhuǎn)體施工工藝

主橋拱肋相對地面整體較高，且橋面系與拱肋斜交，搭設(shè)支架存在較大的安全隱患。因此，結(jié)合本橋的現(xiàn)場條件，采取三段式安裝方案，現(xiàn)場搭設(shè)桅桿門架，兩側(cè)節(jié)段采用豎向轉(zhuǎn)體施工方案，中間節(jié)段采用門架整體提升方案，大幅度提升了拱圈安裝的工業(yè)化水平，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高拱圈結(jié)構(gòu)質(zhì)量（圖3）。

圖3 豎向轉(zhuǎn)體施工設(shè)備

4 總結(jié)

本項(xiàng)目建成后，是安徽省境內(nèi)目前跨徑最大，橋面最寬的斜跨拱橋，同時(shí)也是安徽省近年來最為重要的引江濟(jì)淮工程中首座建成通車的橋梁，為引江濟(jì)淮工程的順利推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

安徽境內(nèi)通航河流較多，受路網(wǎng)規(guī)劃等方面的限制，大多數(shù)大跨徑橋梁無法滿足小角度或正交方式跨越河流，本橋的成功經(jīng)驗(yàn)，一方面規(guī)避了斜橋正做需要大規(guī)模增大橋梁跨徑規(guī)模的問題，同時(shí)這一橋型景觀效果較好，適合城市景觀提升需求。

基于本項(xiàng)目的多項(xiàng)研究成果：錨拉板式吊桿錨固方法、基于M法的樁拱梁協(xié)同受力分析、基于BIM技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)等技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于同類拱橋設(shè)計(jì)中，大幅度提升同類橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平和結(jié)構(gòu)耐久性。