某跨湖橋方案比選及結構設計

陳子豪

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司 廣州 510080）

0 前言

隨著粵港澳大灣區(qū)開放合作的驅動，國際性的科教創(chuàng)新樞紐項目得到快速發(fā)展，其中中新廣州知識城處于白云國際機場與廣州第二機場之間，具有構建樞紐快線及地標的定位功能［1］。根據(jù)路網結構中的位置及交通量預測結果，本工程功能定位為知識城西部貫穿南北的交通干道，承擔大量區(qū)內交通，服務周邊功能片區(qū)，并通過于快速路節(jié)點有效疏導區(qū)內交通與對外交通。

本工程跨越某規(guī)劃人工湖，如圖1所示，是集雨洪調蓄、生態(tài)、景觀、功能于一體的城市中心公園，湖底高程36.0 m，設計洪水位為38.5 m，根據(jù)規(guī)劃該湖無通航設計要求。橋位的選擇根據(jù)總體路線走向，并結合該地區(qū)發(fā)展規(guī)劃定位要求，采用大跨跨越。

圖1 項目位置Fig.1 The Project Location

該跨湖橋作為環(huán)湖景觀帶中一個標志性景點，項目的建設對整個環(huán)湖景觀的提升起到了畫龍點睛的作用，同時也完善了該地區(qū)的慢行交通系統(tǒng)，優(yōu)化了周邊的公共基礎設施，激發(fā)了城市活力，形成了一個多層次的、立體化的環(huán)湖旅游觀光帶，使該地區(qū)真正成為一個綠色、低碳、高效便捷的生態(tài)宜居新城［2］。本文通過分析影響橋梁建設的多種因素，介紹了該跨湖橋方案比選及結構分析的主要過程。

1 橋型方案比選及設計

大橋所處位置道路紅線寬度50 m，如圖2 所示，雙向六車道，設計速度為60 km∕h。道路南側的湖堤兩側各預留4 m 寬的環(huán)湖綠道位置，同時設置6 m 寬防汛路與道路進行銜接。該跨湖橋的設計主要滿足規(guī)劃需求及地標景觀需求。同時與周圍環(huán)境、現(xiàn)狀結構物以及城市規(guī)劃發(fā)展目標和諧統(tǒng)一，服從片區(qū)整體規(guī)劃要求及交通路網的總體布置。

圖2 道路平面Fig.2 The Road Plan （m）

橋梁景觀設計時著重思考片區(qū)規(guī)劃對橋梁景觀的要求、行人對橋梁構造的需求與感受以及橋位整體建設條件的限制等因素［3］。綜合該人工湖景觀工程美觀性、實用性及本工程防洪、造價要求等各方面考慮，結合橋底與環(huán)湖園路的凈空不小于2.5 m 的要求。本次設計以鋼筋混凝土葵花拱橋和預應力混凝土連續(xù)梁橋作為橋型比選。

1.1 鋼筋混凝土葵花拱橋

1.1.1 總體布置

跨徑組合為（10+3×40+10）m，與道路中心線的夾角為90°，全長146 m，分成兩幅，橋面總寬度為40 m。方案1效果如圖3所示，外傾拱圈如同葵花綻開，寓意著萬物向上，欣欣向榮，祝愿城市美好向上。多跨葵花拱橋的造型美觀，大拱疊合小拱增添了豐富的層次感，猶如碧波層疊。

圖3 方案1效果Fig.3 The Design Sketch of Scheme 1

邊拱的設計極具張力，像似舞動的絲綢，靈動飄逸，賦予了結構生命力，增加了知識城的科技感和幸福感，象征著幸福生活延綿不絕，也象征著廣州“絲綢之路”的核心樞紐位置。

1.1.2 上部結構

如圖4?所示，主橋上部結構采用3×40 m 上承式鋼筋混凝土葵花形拱橋。如圖4?所示，橫斷面布置為3.0 m 人行道+2.5 m 非機動車道+11.5 m 機動車道+0.5 m 防撞欄+5.0 m 中央隔離帶+0.5 m 防撞欄+11.5 m機動車道+2.5 m自行車道+3.0 m人行道=40 m。

圖4 方案1縱斷面及橫斷面Fig.4 The Profile View Cross Section of Scheme 1 （cm）

縱梁半幅全寬17.5 m，為實心等截面梁。橋面設置2%的橫坡，橫坡由箱梁斜置調整，底板、頂板保持平行?？v梁梁高0.8 m，箱底寬10.85 m，兩側懸臂翼緣板寬3.075 m，懸臂根部高度0.7 m。主拱拱軸線采用四次拋物線，為實心板拱，寬度為10.35 m，拱腳處截面高0.9 m，拱頂處截面高0.9 m，矢跨比為1∕7。腹拱拱軸線采用橢圓線，為實心板拱，寬度為10.35 m，矢高1∕5.3，腹拱厚度均為0.7 m，與主拱固結。

引橋為10 m 預應力混凝土空心板，單幅由2 片邊板和11片中板組成。預制板寬為1.24 m，邊梁預制板寬為1.87 m，懸臂長為0.63 m。相鄰兩片梁間距為1.25 m。采用吊裝施工，現(xiàn)澆層厚為15 cm，混凝土等級為C50。橋梁與環(huán)湖路相交處最小凈空高度滿足凈空2.5 m 的控制要求。橋面鋪裝采用10 cm 瀝青混凝土鋪裝。

1.1.3 下部結構

中墩墩身采用矩形截面實體墩，最小厚度為2.5 m，側立面采用圓倒角接順主拱弧線，墩身橫橋向與主拱同寬為11.35 m。單幅橋樁基礎采用6 根直徑180 cm，承臺厚度為2.7 m。

邊墩為拱座+板墩形式，墩身厚度為1.8 m，墩身橫橋向寬為17.5 m。橋臺采用一字臺，由于橋梁中央分隔帶設有待建綜合管廊，橋臺需分幅布置，因此中央分隔帶設有擋土板，保證橋下環(huán)湖園路暢通。邊墩與橋臺共用基礎，單幅橋樁基礎采用12 根直徑160 cm，承臺厚度為3 m。

1.2 預應力混凝土連續(xù)梁橋

1.2.1 總體布置

跨徑組合為（10+35+50+35+10）m，與道路中心線的夾角為90°，全長146 m，分兩幅，橋面總寬度為40 m。方案2 效果如圖5 所示，拱圈線形優(yōu)美、造型簡約、成熟穩(wěn)重。體現(xiàn)了低調、甘愿默默奉獻的精神。象征著知識一直為人類默默奉獻，體現(xiàn)出知識城“俯首甘為孺子牛”的高尚情操。

圖5 方案2效果Fig.5 The Design Sketch of Scheme 2

1.2.2 上部結構

如圖6?所示，上部結構主橋采用（35+50+35）m預應力混凝土連續(xù)梁橋。如圖6?所示，橫斷面布置為3.0 m 人行道+2.5 m 非機動車道+11.5 m 機動車道+0.5 m 防撞欄+5.0 m 中央隔離帶+0.5 m 防撞欄+11.5 m機動車道+2.5 m自行車道+3.0 m人行道=40 m。

圖6 方案2縱斷面及橫斷面Fig.6 The Profile View Cross Section of Scheme 2 （mm）

連續(xù)梁橋采用單箱雙室，箱寬12.9 m，翼板懸臂2.3 m，全寬17.5 m。箱梁支座處高320 cm，底板厚度為42 cm，腹板為70 cm，頂板厚度為45 cm；箱梁端部及跨中高180 cm，底板厚度22 cm，腹板為40 cm，頂板厚度為25 cm。箱梁高度采用拋物線方式從箱梁根部高3.2 m變化至端部及跨中高1.8 m。引橋同方案1。

1.2.3 下部結構

主橋采用圓端形實體墩。單幅橋過渡墩基礎采用2根直徑200 cm鉆孔灌注樁，轉換臺厚度為200 cm；單幅橋主橋橋墩基礎采用2 根直徑220 cm 鉆孔灌注樁，轉換臺厚度為220 cm。引橋橋墩采用雙柱式墩，墩柱均為矩形截面。蓋梁頂橫坡與橋面橫坡保持一致，支座墊石頂面水平，以保證支座水平放置。

1.3 橋型方案比較

從設計施工應用情況對比兩種方案，連續(xù)梁橋設計施工應用較普遍［4］。方案1分幅布置，受力明確，便于施工和養(yǎng)護，同時大拱小拱套合，可以減小橋面系跨度?？ü皹蚍桨甘芰π阅軆?yōu)越［5］，梁慶學等人還進行了設計優(yōu)化分析［6］，像廣州南沙鳳凰二橋葵花形疊拱橋采用的復合支架多孔對稱施工方式也取得了成功應用［7］。采用先梁后拱的支架方法［8］，現(xiàn)場拼裝施工臨時支墩、搭設支架，現(xiàn)場分段澆筑系梁及拱腳，后在系梁上搭設支架施工主拱，再安裝吊桿，最后擦除臨時支撐［9］。橋梁所處場地為未開挖排洪出口，且無通航要求，滿足支架施工條件。并且為縮短工期以及便于施工，橋梁兩端10 m 跨徑橋型采用預應力混凝土空心板。

現(xiàn)場具備支架施工條件，兩種方案施工周期沒有明顯差別，但方案1 盡可能減小了橋梁梁高，在滿足梁底凈空要求的條件下可以減小橋梁兩端道路標高，有利于減少項目整體投資。

葵花拱橋拱座和兩側相鄰的拱圈形成了一個正在展翅飛翔的“海燕”，連拱之間相互依托，酷似眾多“海燕”并排在一起振翅高飛。同時，微風拂面，湖面碧波蕩漾，與大橋遙相呼應，醉人心弦，在實現(xiàn)橋梁溝通兩岸作用的同時，也滿足了建筑為人所享的特點，體現(xiàn)了以人為本的設計思路，與人工湖的自然山色相得益彰，互為呼應，構成一幅美麗現(xiàn)代的山水城市畫，突出了該人工湖的人文景觀特色。

以上詳細介紹了兩種方案的設計施工特點、施工周期及景觀特點，表1 對以上指標進行了匯總。方案1 造型美觀，給周圍環(huán)境增添了生動活潑的生氣，施工方便、結構合理，非常適合該人工湖這種無通航要求的江面。同時投資最少，與知識城的金融文化相融合。經過綜合比較，推薦采用方案1 鋼筋混凝土葵花拱橋。

表1 方案對比Tab.1 Comparison of Schemes

2 主橋結構分析計算

2.1 模型建立

推薦橋型跨徑組合為（10+3×40+10）m，全長146 m，分兩幅，橋面總寬度為40 m。采用MIDAS Civil 8.6.5程序進行推薦方案主橋上部結構計算，計算模型如圖7所示，鋼箱梁采用梁單元進行模擬，單元長度按1 m設置，共1 381個單元，1 415個節(jié)點。

圖7 主橋計算模型Fig.7 The Calculation Model of Main Bridge

2.2 上部結構撓度計算

如表2 所示，分別計算主拱圈、中腹拱圈及邊腹拱圈在荷載頻遇組合、活載頻遇組合下考慮長期效應的撓度。同時根據(jù)文獻［10］第6.5.3條計算L∕1 600及L∕600。計算結果荷載頻遇組合計算值都大于文獻［10］值，根據(jù)要求應設置預拱度?；钶d頻遇組合計算值都小于文獻［10］值，滿足要求。

表2 上部結構撓度Tab.2 The Deflection of Superstructure

2.3 主腹拱圈結構驗算

根據(jù)文獻［10］第4.4.10 條，主拱圈及腹拱圈應驗算拱腳、拱頂、3∕8 拱跨3 個截面。主拱圈的計算長度1 515.2 cm，中腹拱圈的計算長度505.8 cm，邊腹拱圈的計算長度338.8 cm。對拱圈的受壓段以壓彎構件進行驗算，對受拉段則按照拉彎構件進行驗算，如表3所示，主拱圈及腹拱圈不同位置的彎矩計算值均小于設計值，并且裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足文獻［10］要求。

表3 主腹拱圈驗算Tab.3 The Checking of Main Web Arch Structure

根據(jù)文獻［10］第5.2.12 條，主拱圈及最腹拱圈最大剪力驗算滿足斜截面抗剪驗算。綜上，主拱圈及腹拱圈結構各項承載力及裂縫寬度驗算滿足文獻［10］要求。

2.4 縱梁結構驗算

如表4所示，分別進行縱梁上緣0～30 m、110～140 m及下緣承載力及裂縫驗算，不同位置的彎矩計算值均小于設計值，并且裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足文獻［10］要求。在基本組合作用下，最大剪力為6 628.3 kN，抗力為20 669.7 kN，富余212%。

表4 縱梁驗算Tab.4 The Checking of Longitudinal Beam

結構在頻遇組合下，考慮長期效應影響后的最大的豎向撓度值為49.01 mm，根據(jù)文獻［10］要求，應設置預拱度；由活載頻遇組合產生的結構豎向的撓度最大值為7.96 mm，小于文獻［10］要求的23.3 mm 的限值，滿足要求。

2.5 橋墩及橋臺結構驗算

橋墩縱向最小厚度250 cm，橫向寬度（扣除裝飾翼板）與拱肋等寬，為1 085 cm。橋臺臺身縱向厚度150 cm，橫向寬度為1 750 cm。進行橋墩及橋臺結構驗算，如表5所示，不同位置的彎矩計算值均小于設計值，并且裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足文獻［10］要求。

表5 橋墩及橋臺結構驗算Tab.5 The Checking of Pier and Abutment

根據(jù)文獻［10］第5.2.12條，主墩、過渡墩及橋臺的剪力無需進行斜截面抗剪驗算，只需要按照文獻［10］要求構造配筋。

2.6 橋臺懸臂梁驗算

由于兩幅橋臺之間設置了綜合管廊，導致承臺與橋臺不同寬，橋臺有2.05 m 的懸臂梁段。該懸臂梁段不僅承受自重、側向土壓力，還承受橋臺與過渡墩之間的填土的土壓力。分別計算受自重和向下土摩擦力荷載1 及受側向土壓力荷載2 下彎矩及剪力，如表6 所示，結果表明計算值均小于抗力設計值，滿足文獻［10］要求。

表6 橋臺懸臂梁驗算Tab.6 The Checking of Abutment Cantilever Beam

2.7 樁基結構驗算

樁基最大水平位移為4.86 mm＜6 mm，滿足文獻［10］要求。在基本組合作用下，最大剪力為2 639.6 kN，抗力為20 669.7 kN，富余212%，均滿足文獻［10］要求。

3 結論

本文對某跨湖橋的設計方案進行了比選，并就推薦方案的主橋進行了結構計算，主要獲得如下結論：

⑴在文化金融功能中心，簡約穩(wěn)重的葵花拱橋設計與周圍環(huán)境以及城市規(guī)劃發(fā)展目標和諧統(tǒng)一，是一種值得推薦的橋型。

⑵葵花拱橋線形優(yōu)美、造型簡約、成熟穩(wěn)重，實用性強，施工周期短，對于施工條件好的景觀工程具有很好的參考。

⑶本文提出的葵花拱橋受力合理，經過計算，主腹拱圈、縱梁、墩臺及其樁基承載能力以及正常使用均滿足文獻［10］要求。