空間多肢彎斜鋼拱橋設(shè)計(jì)

李甲丁，李升玉，張海平，于智光

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

1 概述

本項(xiàng)目工程位于西寧市城北區(qū)北川河河谷地帶，是青海西寧環(huán)境綜合治理利用世行貸款項(xiàng)目城市排水收集管網(wǎng)工程配套橋梁工程之一。濱河西路屬北川河綜合治理核心區(qū)規(guī)劃城市道路，道路等級(jí)為城市支路，雙向兩車(chē)道，道路紅線寬度18 m，設(shè)計(jì)速度20 km/h，汽車(chē)荷載為城-B 級(jí)。

北川河為黃河上游重要支流湟水河的一級(jí)支流，古稱蘇木蓮河。河道在橋位處分為內(nèi)外河，內(nèi)河為在原有老河道基礎(chǔ)上改造而成的北川河濕地公園生態(tài)景觀河道；外河為新建60 m 寬人工河道，主要承擔(dān)防洪任務(wù)，內(nèi)外河被人工堤壩相隔。

通過(guò)多輪的比選和優(yōu)化，經(jīng)過(guò)主管部門(mén)及相關(guān)專家綜合評(píng)價(jià)后，確定依次跨越內(nèi)河、外河的兩跨空間鋼拱橋方案為實(shí)施方案（見(jiàn)圖1）。橋梁方案設(shè)計(jì)采用“群山、飛鳥(niǎo)”為意向，以雄偉壯麗的昆侖山脈為背景，通過(guò)鮮活的造型之美，營(yíng)造具有活力、時(shí)尚、大氣文化氣息的結(jié)構(gòu)形態(tài)。方案高低起伏、躍躍欲飛的藝術(shù)動(dòng)感造型，彰顯出西寧大氣、活潑的城市氣質(zhì)[1]。

圖1 濱河西路橋效果圖

2 總體設(shè)計(jì)

橋梁采用兩跨空間鋼拱橋，分別斜跨北川河內(nèi)河和外河，跨徑布置為95 m+110 m=205 m，橋梁范圍平面位于R=220 m 的圓曲線、A=104.881 m 的緩和曲線及直線段上，含兩側(cè)橋臺(tái)側(cè)墻全長(zhǎng)236.5 m，含兩側(cè)各1.5 m 吊桿區(qū)橋面總寬21 m，按整幅橋設(shè)計(jì)[2]（見(jiàn)圖2）。

圖2 橋梁平立面布置圖（單位：m）

拱結(jié)構(gòu)為兩跨有推力無(wú)鉸連拱體系，拱肋為平行四邊形鋼箱截面，拱肋在混凝土橋臺(tái)側(cè)墻、中墩拱座處固結(jié)，中墩處相鄰拱跨部分水平力相互抵消，其余水平力由墩臺(tái)群樁基礎(chǔ)承受，樁基持力層為中風(fēng)化泥巖。

主梁結(jié)構(gòu)為兩跨連續(xù)梁體系，采用單箱三室?guī)эL(fēng)嘴扁平鋼箱梁截面，墩臺(tái)處設(shè)置球鋼支座。主梁與拱肋僅通過(guò)吊桿連接。吊桿為放射狀空間索面，在拱肋處集中錨固于拱頂區(qū)域，在主梁跨中0.45～0.65 倍跨徑范圍等間距錨固。鋼拱梁均采用Q345qE 材質(zhì)，吊桿為1 860 MPa 整束擠壓鋼絞線拉索。

中墩拱腳處設(shè)置下沉式階梯狀弧形觀景梯道（見(jiàn)圖3），使市政道路人行系統(tǒng)與河堤堤頂既有游步道相連，豐富了行人的觀景體驗(yàn)和層次。弧形平臺(tái)采用縱橫梁+整體鋼橋面板的空間鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)T 形變高鋼托板形成1∶3 坡率臺(tái)階，頂面為50 mm 厚塑木鋪裝。

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：m）

梯道在主梁處通過(guò)多個(gè)板式橡膠支座支座支承于鋼箱梁風(fēng)嘴區(qū)隔板，縱橫梁交點(diǎn)處通過(guò)多個(gè)矩形混凝土立柱支承于拱座承臺(tái)頂面，梯道落地處支承于擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面。

橋梁施工采用先梁后拱的施工順序，內(nèi)河搭設(shè)鋼管樁少支架，分節(jié)段吊裝主梁縱橫向節(jié)段，外河根據(jù)防汛要求采用鋼箱梁整體節(jié)段頂推施工。完成主梁拼接后在主梁上搭設(shè)拱肋支架，進(jìn)一步完成拱肋節(jié)段拼裝。

為適應(yīng)當(dāng)?shù)馗吆０?、?qiáng)日照、高紫外線的氣候條件，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)耐久性，鋼拱外表面涂裝方案為噴砂除銹Sa3.0 級(jí)+120 μm 電弧熱噴鋅鋁合金+30 μm環(huán)氧封閉漆+150 μm 環(huán)氧云鐵中間漆+100 μm 聚硅氧烷面漆。

本橋?yàn)閺?fù)雜空間異形景觀橋梁，設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段無(wú)法表達(dá)的問(wèn)題，因此本項(xiàng)目采用Rhino 概念設(shè)計(jì)→CATIA—BIM 正向設(shè)計(jì)→Midas Civil 總體分析→Ansys 局部分析→輔以AutoCAD 二維出圖的設(shè)計(jì)流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。二維圖紙中所需的參數(shù)通過(guò)Grasshopper 參數(shù)化編程從三維模型中批量導(dǎo)出，設(shè)計(jì)成果除常規(guī)紙質(zhì)二維圖紙外，同步提交三維BIM 模型（見(jiàn)圖4）。

圖4 全橋BIM 模型（達(dá)索CATIA）

3 空間拱軸線設(shè)計(jì)

常規(guī)大跨徑拱橋平面一般位于直線段，即使位于圓曲線上時(shí)也往往采用彎橋直做的設(shè)計(jì)手段，通過(guò)加大橋面寬度及拱肋間距來(lái)適應(yīng)平曲線矢高，以保證橋面車(chē)道連續(xù)。

拱肋一般也位于豎直平面或斜平面上，根據(jù)跨徑、吊桿布置形式等結(jié)構(gòu)受力因素常采用圓弧線、拋物線、懸鏈線或直線+圓弧組合的折線型拱軸線。

由于本橋平面位于小半徑圓曲線（R=220 m）、緩和曲線及直線段上,采用常規(guī)設(shè)計(jì)思路將拱肋均布置于一平面內(nèi)時(shí)，需拉開(kāi)拱肋間距，拱腳在墩臺(tái)處與主梁間距遠(yuǎn)，主梁與拱肋結(jié)構(gòu)景觀整體性不好，且橋梁占地紅線較大。本橋結(jié)合道路線形及墩臺(tái)布置，通過(guò)沿路線方向扭轉(zhuǎn)拱軸線（見(jiàn)圖5）以滿足結(jié)構(gòu)整體性及視覺(jué)上的美觀要求。

圖5 拱軸線空間扭轉(zhuǎn)

由于拱軸線布置在空間扭面，采用圓弧線等常規(guī)拱軸線線形時(shí)均存在線形表述困難、過(guò)渡不順等問(wèn)題，因此本橋拱肋拱軸線采用空間樣條曲線擬合，通過(guò)從BIM 模型中導(dǎo)出拱軸線及控制截面（見(jiàn)圖6），導(dǎo)入總體計(jì)算模型后經(jīng)計(jì)算反饋調(diào)整（見(jiàn)圖7），使拱軸線能兼顧結(jié)構(gòu)受力與外觀線形。

圖6 BIM 模型中空間拱軸線導(dǎo)出（cad 格式）

圖7 三維桿系計(jì)算模型（Midas Civil）

為便于施工單位加工制造及紙質(zhì)圖紙表述，間隔一定距離給出拱軸線、外輪廓、橫隔板定位點(diǎn)坐標(biāo)。廠家結(jié)合BIM 模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，并逐段定制匹配胎架，使定位點(diǎn)之間的板件通過(guò)平順的弧線過(guò)渡，以保證設(shè)計(jì)拱軸線及拱肋外形效果得以完整的展現(xiàn)。

4 多邊形變截面多肢拱肋設(shè)計(jì)

4.1 多肢拱肋設(shè)計(jì)

本橋?yàn)橛型屏o(wú)鉸拱體系，95 m 跨及110 m 跨鋼拱肋中心線最高點(diǎn)距橋面分別為30 m、36 m，矢跨比分別約為1/3.17 和1/3.06，拱肋與鋼梁之間僅通過(guò)吊桿連接。鋼箱拱肋單肢為斜平行四邊形斷面，傾角65°～75°，截面尺寸及形式沿拱軸線全長(zhǎng)變化，斷面變化形式如下：主拱分別在拱頂處相交，呈整體梯形斷面，拱頂向兩側(cè)逐漸變寬，分叉后斷面變?yōu)槠叫兴倪呅?。之后拱肋向橋臺(tái)方向沿軸線逐漸變窄變高；拱肋再次分開(kāi)為兩肢，斷面均為平行四邊形；拱肋向橋梁中墩方向分叉后沿軸線變窄變高，再次分開(kāi)為橫向雙肢（見(jiàn)圖8）。

圖8 平行四邊形拱肋過(guò)渡變化示意

鋼箱拱肋壁板厚為20～30 mm，局部根據(jù)受力有調(diào)整，縱向加勁肋為板式肋，間距為400～500 mm。普通橫隔板與拱軸線垂直，標(biāo)準(zhǔn)間距2 m，板厚14 mm，吊桿處設(shè)鉛錘橫隔板，板厚20 mm。典型鋼拱肋斷面見(jiàn)圖9。

圖9 典型鋼拱肋斷面（單位：mm）

由于拱肋截面尺寸及角度不斷變化，橫隔板的尺寸各不相同，通過(guò)參數(shù)化批量建立全橋橫隔板模型并提取橫隔板輪廓線及尺寸數(shù)據(jù)信息用以輔助繪制二維紙質(zhì)圖紙。

由于拱肋存在多處豎向、橫向分肢結(jié)構(gòu)，因此板件在分肢處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是設(shè)計(jì)需要考慮的重點(diǎn)。已建成的景觀鋼拱橋分肢結(jié)構(gòu)一般為明顯的主次受力結(jié)構(gòu)[3]，以主肢受力為主，分肢受力較?。ㄒ?jiàn)圖10）。本橋拱肋橫豎向分肢均為主要受力結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于分肢處的構(gòu)造需采用與之不同的構(gòu)造形式。

圖10 部分已建成景觀拱橋鋼拱分肢構(gòu)造

本橋拱肋分肢處參考三塔懸索橋中鋼塔的底部分叉點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)造[4]，采用坡口熔透?jìng)髁Φ木植繕?gòu)造形式以保證板件的均勻傳力。拱肋分肢板在交匯前由斜腹板逐漸扭轉(zhuǎn)為直腹板，并在距離交匯點(diǎn)150 mm附近設(shè)置加厚橫隔板來(lái)加強(qiáng)局部穩(wěn)定性（見(jiàn)圖11）。

圖11 分肢點(diǎn)熔透?jìng)髁?gòu)造示意（單位：mm）

經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算承載能力極限狀態(tài)下除拱肋處拱腳局部最大應(yīng)力值約為210 MPa外，其余應(yīng)力基本在100～150 MPa，拱腳處經(jīng)ANSYS 局部模型分析后實(shí)際板件應(yīng)力除局部應(yīng)力集中點(diǎn)外均小于150 MPa（見(jiàn)圖12）。

圖12 Y 形拱腳節(jié)點(diǎn)局部分析（ANS YS）

采用彈性穩(wěn)定理論對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，拱肋結(jié)構(gòu)在恒載+活載+風(fēng)載工況下屈曲系數(shù)為27.1＞4，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋橫彎（見(jiàn)圖13），表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定安全性。

圖13 一階失穩(wěn)模態(tài)（拱肋橫彎）

4.2 拱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

除拱肋分肢構(gòu)造外，本橋拱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是拱肋設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)。根據(jù)建筑外形、結(jié)構(gòu)受力需要的不同，在橋臺(tái)橋墩處分別采用了不同的拱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。

橋臺(tái)處拱腳支承于橋臺(tái)側(cè)墻，為使拱腳處外形簡(jiǎn)潔，采用了承壓傳剪埋入式拱腳（見(jiàn)圖14），橋臺(tái)拱腳節(jié)點(diǎn)截面壁板厚度24 mm，端板厚度60 mm，沿拱肋四周間隔150 mm 均布φ22×150 mm 剪力釘，并在插入段設(shè)置普通鋼筋加強(qiáng)筋，在對(duì)側(cè)墻頂面1.5 m 高度范圍內(nèi)的拱肋內(nèi)灌注混凝土。相比于常規(guī)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)，本橋根據(jù)拱肋及樁基布置的需要采用了較長(zhǎng)的側(cè)墻長(zhǎng)度。

圖14 橋臺(tái)承壓傳剪插入式節(jié)點(diǎn)

中墩處拱腳節(jié)點(diǎn)受力較大，因此采用完全承壓式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（見(jiàn)圖15）。由于弧形人行梯道置于節(jié)點(diǎn)上方，拱腳處局部加強(qiáng)的靴梁及預(yù)應(yīng)力粗鋼筋等構(gòu)造對(duì)建筑外形影響較小，建筑外形和結(jié)構(gòu)受力均能得到兼顧。拱腳處采用80 mm 厚承壓板，并采用1 000 mm高度靴梁以加強(qiáng)承壓板剛度。承壓板與混凝土拱座之間設(shè)置50 mm 微膨脹高強(qiáng)環(huán)氧砂漿后壓注層。沿拱腳四周間距500 mm 布置直徑50 mm 高強(qiáng)螺紋鋼筋，鋼筋伸入承臺(tái)，并在固定端設(shè)置錨板，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力為750 kN，以保證承壓板截面全截面受壓。

圖15 中墩拱座完全承壓式節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

5 吊桿及主梁設(shè)計(jì)

本橋吊桿在拱頂區(qū)沿拱肋中心線間距1.8 m 錨固，在鋼主梁上間距為沿道路設(shè)計(jì)中心線間距5 m，110 m 跨跨中設(shè)15 對(duì)吊桿，95 m 跨跨中設(shè)12 對(duì)吊桿，均采用GJ15-12 整束擠壓鋼絞線拉索體系，成橋索力450 kN。

本橋通過(guò)BIM 參數(shù)化手段定義錨箱及耳板板件尺寸、布置原則等與吊桿角度之間的設(shè)計(jì)原則（見(jiàn)圖16），使得錨點(diǎn)構(gòu)造可以自動(dòng)適應(yīng)不同的吊桿角度,進(jìn)而從BIM 模型中批量提取板件結(jié)構(gòu)尺寸及形狀參數(shù)，并借助碰撞檢查功能進(jìn)行凈空及沖突點(diǎn)核查。

圖16 吊桿錨點(diǎn)BIM 模型示意（梁拱壁板未示）

為使主梁結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度，并且自身能承受相當(dāng)?shù)暮奢d，主梁采用閉口扁平多箱室鋼箱梁結(jié)構(gòu)。主梁受力體系為在跨中吊桿區(qū)多點(diǎn)彈性支承的兩跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，固定支座設(shè)置在中墩，兩側(cè)橋臺(tái)設(shè)置滑動(dòng)支座（見(jiàn)圖17）。根據(jù)受力需要避免支座脫空，鋼箱梁梁端內(nèi)側(cè)局部采用混凝土壓重處理。

圖17 鋼主梁支承體系（單位：m）

為適應(yīng)道路路線于內(nèi)外河及河堤之間的斜交關(guān)系，上下部均斜橋斜做。小樁號(hào)橋臺(tái)斜交80°，河堤處中墩斜交70°，大樁號(hào)橋臺(tái)側(cè)斜交75°。為適應(yīng)鋼箱梁斜交布置，中墩處采用橫隔板正交并加密布置，通過(guò)支座分別支承于不同隔板上實(shí)現(xiàn)斜交。橋臺(tái)側(cè)通過(guò)橫隔板的角度漸變實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖18）。

圖18 墩臺(tái)斜交處橫隔板設(shè)置示意

鋼主梁橋面鋪裝采用4 cmSMA13 和9 cm 厚C50補(bǔ)償收縮鋼纖維防水混凝土，通過(guò)φ13 mm 焊釘保證與鋼橋面板的連接（見(jiàn)圖19），結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮鋼纖維混凝土層參與受力。鋼纖維抗拉強(qiáng)度不小于600 MPa，鋼纖維摻量為60 kg/m3。為提高鋼主梁安全儲(chǔ)備，避免中墩頂面鋪裝局部開(kāi)裂，鋼纖維混凝土鋪裝次序?yàn)橄瓤缰泻笾兄c(diǎn)，并在中墩頂范圍設(shè)置20 mm 直徑HRB400 縱向加強(qiáng)鋼筋。

圖19 鋼主梁橋面鋪裝（單位：mm）

6 結(jié)語(yǔ)

西寧北川河濱河西路橋通過(guò)全過(guò)程的BIM 正向設(shè)計(jì)，應(yīng)用了樣條曲線擬合空間拱軸線設(shè)計(jì)、多邊形變截面分肢拱肋參數(shù)化設(shè)計(jì)及空間索面布置及錨固定位等技術(shù)手段，解決了異形空間鋼拱橋設(shè)計(jì)中得諸多難題。施工過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)加工單位依靠三維BIM 模型提供的數(shù)據(jù)支撐，成功解決了橋梁拱肋成型及三維放樣等難題，確保施工對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的還原度，有效提高了橋梁的施工效率。

本橋于2019 年12 月開(kāi)工建設(shè)，2021 年6 月建成后的橋梁成為西寧北川片區(qū)的焦點(diǎn)景觀，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。2021 年9 月作為組成項(xiàng)目之一通過(guò)世行項(xiàng)目完工檢查評(píng)估，獲得“高度滿意”的最高評(píng)級(jí)。