東灣大道沙涌橋設(shè)計(jì)構(gòu)思

李學(xué)松

（東莞濱海灣新區(qū)工程建設(shè)中心，廣東 東莞 523120）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地對橋梁結(jié)構(gòu)的美學(xué)要求越來越高，景觀橋梁的建造越來越多，特別是各地規(guī)劃的新區(qū)建設(shè)，都要求橋梁能夠成為該區(qū)域內(nèi)的景觀亮點(diǎn)。

拱橋作為一種歷史悠久的建筑形式，具有造型優(yōu)美、曲線圓潤、富有動(dòng)態(tài)感等特點(diǎn)，且跨徑布置靈活，是城市景觀橋梁中的首選。對于中承式及下承式拱橋需設(shè)置吊桿，常規(guī)的公路拱橋中一般采用柔性吊桿，但是在城市景觀橋梁中，為滿足景觀方面的需求，采用剛性吊桿以體現(xiàn)橋梁的造型美[1-2]。

1 工程背景

1.1 建設(shè)條件

橋址位于珠江入?？诟浇臎_擊平原上，跨越的河道規(guī)劃河頂寬度92 m，河底寬50 m，涌底標(biāo)高-2.0 m，河涌斷面如圖1 所示，該河涌作為區(qū)域內(nèi)的中央水系，將打造沿河的景觀綠化帶。

圖1 河道規(guī)劃斷面

道路紅線寬度60 m，中分帶12 m，中分帶下布設(shè)有5 艙室綜合管廊，管廊結(jié)構(gòu)寬度12 m。

地勘揭示：地表覆蓋層為第四系地層，下伏基巖為奧陶紀(jì)早奧陶世花崗巖，持力層為中風(fēng)化巖帶，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為11～25 MPa。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設(shè)計(jì)荷載：城—A 級，人群荷載按規(guī)范取值[3]。

（3）設(shè)計(jì)車速：V=60 km/h。

（4）設(shè)計(jì)水位：按P =1%潮水位3.46 m 控制。

（5）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為7 度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g。

（6）設(shè)計(jì)風(fēng)速：設(shè)計(jì)基本風(fēng)速V10=32.2 m/s。

（7）耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅲ類[4]。

2 設(shè)計(jì)構(gòu)思

本項(xiàng)目橋梁周邊在建的橋梁均進(jìn)行了景觀重點(diǎn)打造，甚至有作為區(qū)域標(biāo)志性建筑的橋梁。為了既能有效融合周邊文化景觀，又能突出本橋梁特色，本橋以草編為設(shè)計(jì)語言，以張開的雙翅為設(shè)計(jì)意象。兩片拱橫跨水面，向兩側(cè)舒展，表達(dá)了建設(shè)地區(qū)積極進(jìn)取、飛向未來的城市精神。

規(guī)劃河道總寬92 m，河道兩側(cè)規(guī)劃有綠道，堤頂路與本道路平交，為保證沿河慢行系統(tǒng)的連貫，結(jié)合總體景觀方案，橋梁采用3 跨結(jié)構(gòu)。主跨跨越主要水域，兩邊跨作為慢行系統(tǒng)穿越通道，主拱支撐于兩個(gè)橋墩上，裝飾拱延伸跨過邊跨，支撐于橋臺(tái)上。

2.1 橫斷面布置

道路中分帶寬度12 m，下面布置有5 艙室綜合管廊，此范圍內(nèi)不能布置橋梁基礎(chǔ)，因此橋梁采用分幅布置，單幅只能在外側(cè)設(shè)置單片拱，全橋設(shè)兩片拱，兩幅橋之間采用橫梁連接。橋面橫向布置為：6 m（人非混合道）+0～6 m(鏤空區(qū))+3 m（拱區(qū)）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+16.25 m（機(jī)動(dòng)車道）+ 0.5 m（防撞護(hù)欄）+9.5 m（中分帶）+ 0.5 m（防撞護(hù)欄）+16.25 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+3 m（拱區(qū)）+0～6 m（鏤空區(qū)）+6 m（人非混合道）=62～74 m。

2.2 矢跨比選擇

矢跨比f/L 是描述拱橋特性的一個(gè)重要參數(shù)，它不但影響主拱內(nèi)力，也關(guān)系到拱橋的建筑造型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，拱橋矢跨比一般為f/L=1/4～1/6。

本橋主拱拱軸線間跨度85 m，含裝飾拱總跨徑110 m，主拱拱軸線采用二次拋物線。下面分別取矢跨比f/L 為1/4、1/5、1/6 進(jìn)行比選，不同矢跨比對應(yīng)的矢高見表1。

表1 不同矢跨比對應(yīng)拱肋矢高

主拱為受力結(jié)構(gòu)，其矢跨比大小將影響拱肋的穩(wěn)定性、拱腳軸力以及拱肋水平推力等。對于本橋，根據(jù)計(jì)算對比，由于跨徑相對較小，矢跨比變化帶來的影響不是太大，因此主要結(jié)合景觀要求來進(jìn)行對比。從表1 可見，當(dāng)主拱采用1/5 矢高時(shí)，對裝飾拱矢跨比為1/6.35，已小于1/6，且本橋拱肋整體外傾20°，立面投影矢高15.97 m，此時(shí)視覺感受拱肋更平坦舒展，因此本橋推薦矢跨比f/L＝1/5。

2.3 吊桿間距比選

吊桿疏密程度對拱橋的景觀效果有很大影響。主梁的結(jié)構(gòu)形式、線集度以及施工方法等是影響吊桿間距的主要因素。結(jié)合主梁結(jié)構(gòu)形式以及制作運(yùn)輸?shù)男枨?，本?xiàng)目對吊桿間距分別為4 m、6 m、8 m的立面效果進(jìn)行對比。

本橋采用整幅布置，橋面寬，吊桿間距不宜過大。吊桿間距的選擇應(yīng)考慮到橫梁的布置。本橋采用剛性吊桿，吊桿尺寸相對較大，若吊桿間距太小，吊桿根數(shù)較多，視覺通透性不好，且不經(jīng)濟(jì)。綜合上述分析，本橋吊桿布置間距采用6 m，相鄰吊桿之間設(shè)一道空腹式橫隔板，間距3 m。

3 方案研究

3.1 橋型布置

全橋跨徑組合為（9+88+9）m，主跨88 m 采用雙肢異型鋼箱系桿蝴蝶拱橋方案。兩片主拱采用六邊形鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋橫向外傾，傾角20°，矢跨比為1/5。主梁為鋼箱梁，梁高2.5～3.0 m，中橫梁為工字鋼梁，主梁與橫梁之間采用焊接。車行道采用鋼橋面板，10 cm C50 混凝土+10 cm 瀝青鋪裝?；炷龄佈b和鋼梁之間通過焊釘連接。人行道采用鋼橋面板，吊桿采用H 型鋼吊桿。主橋?yàn)閱慰绾喼ЫY(jié)構(gòu)，拱梁固結(jié)，墩頂設(shè)球形抗震支座。邊跨采用預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)，梁高65 cm。橋型立面及橫斷面如圖2、圖3 所示。

圖2 橋型立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面布置（單位：cm）

3.2 主梁

主梁采用全鋼結(jié)構(gòu)，通過在兩幅鋼箱梁之間設(shè)置工字型橫梁，組合成縱橫梁體系。主梁單幅采用整體式單箱多室結(jié)構(gòu)，共分為四個(gè)箱室，其中系梁為一個(gè)獨(dú)立小箱室，箱室寬度約2.3 m，其余箱室寬度約5.0 m，主梁結(jié)構(gòu)中心線處梁高3.0 m，梁面設(shè)2%的雙向橫坡，梁底水平。

主梁兩側(cè)人行道以挑臂形式與主梁連接，挑臂長度6～12 m，人行道位于挑臂外側(cè)，寬度6 m，剩余部分非橫梁位置鏤空。

3.3 主拱

主拱肋線型為二次拋物線，拱平面相對道路外傾20°。如圖4 所示，主拱肋采用正六邊形鋼箱截面，對角線截面寬度2.2 m，拱腳處漸變?yōu)榫匦谓孛?，寬?.2 m，高度與正六邊形同高。拱肋頂、底板及腹板均設(shè)置縱向加勁肋。主拱拱段間隔1.5～2.0 m 設(shè)置一道隔板。

圖4 拱肋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3.4 裝飾拱

裝飾拱拱肋采用正六邊形鋼箱梁截面，對角線截面寬度2.2 m。拱肋頂、底板及腹板均設(shè)置縱向加勁肋。裝飾拱拱段間隔,1.5～2.0 m 設(shè)置一道隔板。

主拱拱肋局部外包裝飾，與裝飾拱相連，外包裝飾采用薄鋼板焊接而成，拱肋裝飾與拱肋工廠一起節(jié)段制作，現(xiàn)場拼裝焊接連接。

3.5 吊桿

吊桿為工字型骨架，在骨架外包覆裝飾板，形成六邊形截面以達(dá)到景觀效果，吊桿截面高度60～120 cm，線性變化?？拷袄呒傲后w的一部分吊桿分別與拱肋、梁體節(jié)段在工廠制作，其余段落采用現(xiàn)場安裝，吊桿對接安裝采用焊接連接方式。

3.6 主墩基礎(chǔ)

主橋的橋墩采用柱式墩，尺寸為2.0×2.0 m。墩柱采用C45 混凝土。

外側(cè)拱腳下部4 個(gè)橋墩承臺(tái)為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊長6.6×6.6 m，厚度2.5 m；內(nèi)側(cè)鋼梁下部4個(gè)橋墩承臺(tái)為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊長6.6×2.6 m，厚度2.5 m，承臺(tái)采用C35 混凝土。承臺(tái)混凝土屬大體積混凝土，施工時(shí)需采取可靠的散熱措施來保證澆筑混凝土的質(zhì)量。

外側(cè)拱腳下部4 個(gè)橋墩采用4 根直徑1.6 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，內(nèi)側(cè)鋼梁下部的4 個(gè)橋墩采用2根直徑1.6 m 的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C35 水下混凝土。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，本工程樁基均按照嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁基持力層設(shè)在中風(fēng)化花崗巖。

3.7 施工方法

主橋施工方法步驟如圖5 所示。

圖5 主橋施工步驟

4 靜力分析

采用Midas/Civil 2020 軟件建立本橋的三維模型，拱肋、主梁及吊桿均采用梁單元，模型如圖6 所示。

圖6 MIDAS 模型圖

4.1 拱肋

荷載基本組合效應(yīng)作用下，拱肋沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，全部處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力159.7 MPa，最小壓應(yīng)力46.0 MPa。

4.2 主梁

荷載基本組合效應(yīng)作用下，主梁最大壓應(yīng)力164.6 MPa，最大拉壓應(yīng)力200.4 MPa。最大應(yīng)力處為端橫梁人行道挑臂根部，該位置無車輪作用，行道面板有車輪作用的位置最大壓應(yīng)力為72.9 MPa。

4.3 剛性吊桿

荷載基本組合效應(yīng)作用下，剛性吊桿最大壓應(yīng)力80.6 MPa，最大拉壓應(yīng)力181.5 MPa。

4.4 豎向位移

人群及車輛荷載共同作用下拱肋最大豎向位移為13 mm，主梁最大豎向位移為20 mm，人行道挑臂的最大豎向位移為29.3 mm。

4.5 結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)

在恒載和活載作用下，模態(tài)一屈曲形式為鋼拱的對稱失穩(wěn)，臨界荷載系數(shù)為11.33，滿足要求，如圖7所示。

圖7 恒載+ 活載作用下拱的屈曲

5 動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性主要包括自振頻率和主振型，反映了結(jié)構(gòu)的剛度指標(biāo)，對于正確進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。計(jì)算模型邊界條件采用模擬支座剛度的彈性支承，采用子空間迭代法計(jì)算前20 階振型，表2 僅列出前5 階主要振型。

表2 動(dòng)力特性計(jì)算表

6 剛性吊桿抗風(fēng)性能

剛性吊桿由于結(jié)構(gòu)簡單、剛度大，有助于拱承受面外屈曲，但細(xì)長構(gòu)件，空氣動(dòng)力性能不佳，容易產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)，因此本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注剛性吊桿的抗風(fēng)性能，并開展了吊桿抗風(fēng)性能的專題研究。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)取跨中最長吊桿進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，吊桿實(shí)際長度17 m，模型縮尺比為1∶12，實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)弛振、顫振等不利風(fēng)致振動(dòng)；在150°風(fēng)偏角下跨中位移達(dá)到最大值，為0.01 m，滿足規(guī)范中吊桿風(fēng)致振動(dòng)最大振幅限值的要求。

7 結(jié) 論

在體現(xiàn)拱橋跨徑布置靈活的前提下，結(jié)合主拱及裝飾拱設(shè)計(jì)，構(gòu)思了一座三跨剛性吊桿系桿拱橋，滿足了規(guī)劃關(guān)于河道兩側(cè)慢行系統(tǒng)連續(xù)的要求。同時(shí)，對剛性吊桿的抗風(fēng)性能展開研究。目前該橋已交付運(yùn)營，狀態(tài)良好，其設(shè)計(jì)構(gòu)思對今后類似工程具有參考意義。