大跨度下承式鋼箱提籃拱橋總體設計

黃國清

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510507）

汕頭市濠江區(qū)濠江一橋起點位于三聯(lián)工業(yè)園西南側500 m 處，路線沿西南方向延伸，跨越濠江后與河浦大道相接。項目的建設將有效地增加濠江過江通道，對于提升濠江區(qū)出行效率，完善區(qū)域路網(wǎng)具有重要的作用。

主要技術標準：設計速度60 km∕h；雙向六車道一級公路標準兼城市道路功能；公路一級荷載等級；設計洪水頻率為1∕100；基本風速39.4 m∕s；通航等級為規(guī)劃Ⅳ級內(nèi)河航道，通航凈寬90 m，凈高8 m；地震動峰值加速度為0.2g，抗震設防烈度8 度。

1 設計要點

1.1 結構形式

濠江一橋上部結構體系為下承式鋼箱提籃拱橋，橋型總體布置如圖1所示，該橋橋?qū)?6.5 m，主跨145 m（拱軸線水平長），理論跨徑149.24 m，豎向吊桿。主拱采用提籃式矩形鋼箱結構，拱肋橫向傾角為18°，矢跨比為1∕4.5。橋面系采用鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板的結合梁體系。

圖1 橋型總體布置圖（單位：cm）

1.2 主拱設計

1.2.1 主拱矢跨比

對大跨度下承式鋼箱拱橋而言，矢跨比是重要結構參數(shù)，顯著影響主拱結構內(nèi)力和拱腳水平推力，亦對拱橋的造型構成影響。因此，考慮受力合理性與景觀優(yōu)美性，尋求一個最佳矢跨比方案是主拱設計的關鍵點[1]。

根據(jù)工程實際經(jīng)驗，下承式拱橋矢跨比的選取一般介于1∕4～1∕6，而對于中小跨徑下承式提籃拱橋，不同的矢跨比對建筑造型影響尤為顯著，適當選擇較低的矢跨比，可獲得較好的提籃效果。本文對矢跨比和拱軸系數(shù)等參數(shù)變化下，進行了成橋階段受力分析，參數(shù)分析結果表明：矢跨比對拱肋跨中內(nèi)力影響較大，對拱腳內(nèi)力影響較??；矢跨比較小，跨中的正彎矩增大，而結構的剛度有所降低，拱腳軸力和拱肋水平推力增大?？傮w而言，矢跨比在1∕4.0～1∕5.0 之間時拱肋跨中區(qū)域的彎矩值絕對值相對較小，拱腳和1∕4L位置拱肋的彎矩也在合理范圍內(nèi)，是比較優(yōu)的矢跨比范圍，如圖2所示。

圖2 不同矢跨比參數(shù)對拱肋恒載彎矩的影響對比圖

1.2.2 拱軸線的選擇

目前，大跨度下承式鋼箱拱橋的拱軸線常見線形有懸鏈線、二次拋物線、高次拋物線以及懸索線。懸鏈線、二次拋物線或懸索線，其區(qū)別在于對應的拱肋結構承擔恒載分布形式的不同，因而拱軸系數(shù)m的取值不同，當m=1 時即為二次拋物線。選擇拱軸線的原則是盡量向壓力線靠攏，同時考慮外形美觀、施工簡便等因素[2]。

對于大跨度下承式鋼箱拱橋，設計者常常采用懸鏈線或二次拋物線。采用懸鏈線拱時，本文分別選取拱軸系數(shù)等于1.1、1.2、1.4、1.6 時進行分析，結果表明隨著拱軸系數(shù)的增大，恒載工況下拱腳負彎矩減小，拱頂正彎矩增大，內(nèi)力趨于不均勻；采用二次拋物線拱時，拱的內(nèi)力相對均勻。該橋為下承式鋼箱拱橋，拱肋承擔近似均布荷載，經(jīng)計算分析表明，采用懸鏈線和二次拋物線內(nèi)力均滿足要求，其造型效果如圖3所示，拋物線較為高聳，與橋址平坦的周邊環(huán)境契合，故該項目推薦采用二次拋物線。

圖3 不同矢跨比和拱軸線的拱肋造型對比圖

1.2.3 主拱傾角的選擇

提籃拱是將平行拱肋向橋梁軸線方向傾斜，甚至在拱頂合龍，形成空間上的拱式結構，可增強橫向穩(wěn)定性能，顯著降低施工中的面外穩(wěn)定風險，提升景觀效果。

主拱傾角大小對拱梁內(nèi)力分擔比例，面內(nèi)和面外剛度有較大影響，需結合拱梁剛度分配、抗風穩(wěn)定和景觀效果等因素，對不同傾角進行受力分析和施工方案研究，確保結構受力安全可靠、景觀優(yōu)美[3]。本文分別選取傾角12°、15°、18°和20°進行多方案分析，雖然12°傾角方案能夠獲得最優(yōu)穩(wěn)定性，考慮傾角18°方案拱頂靠得較近，提籃效果明顯，造型佳，拱梁受力和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，故推薦選用傾角18°方案。

綜合以上參數(shù)分析，拱肋矢跨比1∕4.5，拱軸線為二次拋線。主拱為鋼箱肋拱，截面為矩形，通過截面剛性旋轉傾斜，形成拱圈橫橋向水平傾角72°；截面主拱肋高度由跨中2.2 m 漸變至根部3.2 m，拱肋箱寬1.8 m。拱肋截面采用變高度，拱頂輕巧，拱腳厚重。拱肋斷面見圖4。

圖4 拱肋橫斷面（單位:mm）

1.2.4 風撐道數(shù)和位置

該橋位于臺風高發(fā)區(qū)，基本風速39.4 m∕s，抗風穩(wěn)定性要求高，而拱肋的最不利失穩(wěn)破壞形式一般為拱肋的面外橫向失穩(wěn)破壞，該文分別選取3 道、4 道、5 道和7 道風撐進行抗風穩(wěn)定分析，選取“恒載+活載”和“恒載+風荷載”荷載組合進行分析，結果表明：

a）“恒載+活載”為控制工況，雖然該橋基本風速高，但由于拱肋截面迎風面積較小，故荷載占比相較活載略小。

b）拱肋風撐設置道數(shù)顯著影響抗風穩(wěn)定性，至少設置4 道風撐方可滿足規(guī)范要求。根據(jù)分析結果并結合景觀需求，拱肋推薦設置5 道風撐，“恒載+活載”和“恒載+風荷載”工況下的一階失穩(wěn)系數(shù)最小分別為13.6 和14.7（如圖5所示），滿足規(guī)范要求。

圖5 拱肋設置5道風撐失穩(wěn)模態(tài)圖

1.3 主梁設計

1.3.1 主梁截面類型的選擇

下承式鋼箱拱橋主梁截面形式一般有組合梁（混凝土橋面板）、疊合梁（鋼-混凝土組合橋面板）和全鋼梁（鋼橋面板）。經(jīng)分析驗算，組合梁雖經(jīng)濟性最優(yōu)，但存在自重較大、混凝土耐久性和焊釘疲勞問題，不推薦采用。相較于組合梁，疊合梁和全鋼梁自重較小，對主拱肋的內(nèi)力有利，但全鋼梁造價相對較高（表1）。綜合考慮技術成熟性、經(jīng)濟性、施工便利性和維修養(yǎng)護便利性等因素，主梁采用疊合梁方案。

表1 主梁截面類型比較表

1.3.2 主梁結構設計

主梁采用雙邊鋼箱+鋼-混凝土組合橋面板結構。橋面寬36.5 m，設計中心線主梁高2.85 m。主梁鋼結構采用Q345qC，其雙主梁結構由縱梁、小縱梁、橫梁（分為中橫梁和端橫梁）組成，其斷面如圖6所示。橋面板采用鋼-混凝土組合橋面板，形式為帶PBL 剪力鍵的聚丙烯纖維混凝土組合橋面板。橋面板厚260 mm，其底板設置8 mm 厚的薄鋼板，在鋼板上橫向每400 mm、350 mm 設置一道PBL 剪力鍵，通過剪力鍵、鋼筋和纖維混凝土形成組合橋面板。

圖6 疊合梁主梁橫斷面（單位：mm）

1.4 吊桿設計

拱橋吊桿在拱上和梁上的錨固方式有多種方案，選擇時要考慮受力、張拉操作空間、美觀和耐久性等方面。拱上錨固方式有拱肋下吊耳式、拱肋箱內(nèi)錨固和拱肋頂張拉錨固等形式；鋼梁端的錨固方式有梁上吊耳式、梁內(nèi)錨固和梁底錨固等方式[4]。拱肋箱內(nèi)錨固方案的優(yōu)點是外觀美觀，對錨頭耐久性有好處，缺點是張拉操作空間比較緊張，且張拉千斤頂在拱內(nèi)搬動也不方便。梁底張拉方案的施工相對方便，不足是縱梁底板需要開孔，對主梁有削弱。梁頂張拉方案需要一套特制的工裝，且同一根吊桿需要兩個張拉千斤頂同步工作，對施工的要求較高。該橋經(jīng)綜合比較后選擇拱肋內(nèi)張拉錨固、梁上采用吊耳的錨固方式。

全橋拱肋共22 對吊桿，吊桿縱向間距6 m，橫向間距29 m。吊桿采用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索，外加聚乙稀護套加不銹鋼外套。吊桿型號為PES（C）7-85（91），抗拉強度標準值為1 770 MPa。

1.5 水平系桿索設計

水平系桿索是系桿拱橋中抵抗由于恒載與活載所引起的水平推力的關鍵結構單元，系桿索的設計不僅要考慮到其理論強度安全系數(shù)，而且必須考慮其耐久性、可維護性及可更換性。該橋水平系桿索采用31 孔可換索（環(huán)氧噴涂無黏結鋼絞線成品）式系桿，索體鋼絞線抗拉強度1 860 MPa 級，每個箱室設置6 根水平系桿索，全橋共設置12 根。

1.6 橋墩基礎設計

主橋墩為圓端形流線門型橋墩，普通鋼筋混凝土結構，墩頂截面（單肢）尺寸為6.0 m（順橋向）×5.0 m（橫橋向），采用實心截面；墩頂設計橫向系梁，系梁高由跨中至根部為（2.0×4.0）m；承臺厚4 m，截面尺寸為13.2 m（順橋向）×8.2 m（橫橋向）。樁基采用D200 鉆孔灌注樁。

2 精細有限元仿真分析

2.1 仿真分析的目的

由于主拱拱腳區(qū)域、吊桿上錨固區(qū)和下錨固區(qū)受力較復雜，常規(guī)桿系模型難以掌握其應力狀態(tài)，故重點對該三大區(qū)域建立精細化有限元模型，目的是了解和校核該受力復雜區(qū)的三維應力狀況，為該橋的設計工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并優(yōu)化結構構造設計。

2.2 仿真分析結果

主拱拱腳區(qū)域為支座反力、主拱內(nèi)力和主縱梁內(nèi)力的匯合點，其邊界條件極為復雜。精細化模型約束支座處節(jié)點的位移，約束主梁的跨中側端部節(jié)點縱向位移。在總體模型中提取主拱肋內(nèi)力并施工加于精細化模型對應位置，對拱腳錨固端施加系桿水平力。仿真分析結果表明：

a）從應力云圖可以看出，拱腳區(qū)域最大應力330.6 MPa（如圖7所示），各構件未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

圖7 精細有限元仿真分析結果（單位：MPa）

b）系桿錨固區(qū)錨箱應力較集中，通過加厚錨墊板等措施加強后，錨箱的受力狀態(tài)良好，應力不大于150 MPa，滿足要求。

c）該橋的最大支反力為27 500 kN，支座墊板厚度、支座加勁板的厚度和間距顯著影響區(qū)域內(nèi)板件應力狀態(tài)，經(jīng)精細化仿真分析后，支座墊板厚度宜選取100 mm，加勁板間距宜控制在350～400 mm，加勁板厚度取30 mm 和40 mm，其應力水平可控制在170～234 MPa范圍，滿足要求。

3 結論

a）大跨度下承式鋼箱提籃拱橋景觀性高，適用于300 m 跨度范圍以內(nèi)，跨越能力較大，建筑高度低，對有景觀要求的城市橋梁具有很強的競爭力。

b）對于中小跨徑下承式鋼箱提籃拱橋，矢跨比、拱軸線和拱肋傾角的選擇，除考慮拱肋的內(nèi)力合理性、經(jīng)濟性因素外，應重點關注美學效果。

c）拱橋吊桿在拱上和梁上的錨固方式應結合受力性能、張拉操作空間、后期養(yǎng)護、景觀性和耐久性等方面進行選擇。

d）主拱拱腳、吊桿上錨固區(qū)和下錨固區(qū)等區(qū)域受力復雜，利用精細有限元仿真手段，可掌握其受力狀態(tài)，可有效地指導設計工作。

汕頭市濠江一橋位于濠江區(qū)“一江兩岸”重點景觀節(jié)點，已于2021年8月順利建成通車，這一標志性建筑成為了當?shù)赜忠痪W(wǎng)紅打卡點。本文通過該橋的設計和各復雜節(jié)點的研究，積累了些許經(jīng)驗，可為同類橋梁設計提供參考。