山區(qū)公園跨水域拱橋設(shè)計(jì)方案研究

吳連波

（深圳交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518040）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，大眾對于城市建設(shè)的審美不斷提升，橋梁作為城市常見的公共建筑被賦予了更高的美學(xué)要求。對于橋梁的美學(xué)研究認(rèn)為，橋梁建筑的三大美學(xué)形式原則是橋型、以橋?yàn)橹行脑氐沫h(huán)境形態(tài)和構(gòu)成橋體的形式，是審美的最基礎(chǔ)因素[1]。在橋梁建設(shè)歷史中，拱橋是繞不開的主題，它被公認(rèn)為是最優(yōu)美的橋型，根據(jù)橋面與拱肋的位置可分為上承式、中承式及下承式；按照拱腳受力特點(diǎn)可分為有推力拱和無推力拱；根據(jù)主拱材料可分為石拱橋、鋼拱橋、鋼管拱、混凝土拱、鋼管混凝土拱。相比其他橋型其更加多樣，這是拱橋獨(dú)有的特點(diǎn)。

本文針對深圳市陽臺山森林公園內(nèi)跨高峰水庫的拱橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄈ鐖D1 所示），分析其在方案選型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)、施工方案選擇中的關(guān)鍵點(diǎn)，最終方案較好結(jié)合了城市公園景觀設(shè)計(jì)和橋梁功能設(shè)計(jì)，且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 跨高峰水庫橋效果圖

1 項(xiàng)目概況

深圳市僑城東北延通道項(xiàng)目北起福龍路，南至濱海大道，全長約15.7 km，規(guī)劃為城市快速路，雙向6 車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h?？绺叻逅畮鞓?yàn)樵擁?xiàng)目中唯一一座跨水庫橋梁，如圖2 所示，橋梁位于陽臺山森林公園境內(nèi)，且高峰水庫是公園內(nèi)的最大水庫，是重要的水源保護(hù)地。

圖2 橋位平面圖

橋梁左右幅整體立面對齊，其中左幅跨徑布置為（5×28）m 引橋+（80+90+80）m 主橋+（6×25）m 引橋；右幅跨徑布置為（5×28）m 引橋+（90+90+80）m主橋+（3×25）m 引橋，主橋?yàn)樯铣惺戒摻Y(jié)構(gòu)拱橋，引橋?yàn)殇摶旖M合梁。根據(jù)2020 年《高峰水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告》，水庫設(shè)計(jì)洪水位為85.56 m（黃海高程），考慮鋼結(jié)構(gòu)主拱耐久性，水中拱腳最低點(diǎn)高于設(shè)計(jì)水位線1 m 以上設(shè)置；橋梁周邊山勢上陡下緩，橋位處基巖面較深，現(xiàn)狀地面線距中風(fēng)化花崗巖距離約10～25 m，橋型立面布置如圖3 所示。

圖3 跨高峰水庫橋立面布置（單位：m）

主梁標(biāo)準(zhǔn)寬度13.25 m，采用雙窄箱鋼混組合梁，梁高2.0 m（1.75 m 鋼梁+0.25 m 預(yù)制橋面板），鋪裝厚度18.2 cm（10 cm 瀝青鋪裝+2 mm 防水層+8 cm C50 混凝土調(diào)平層）。橋墩立柱均采用八邊形斷面，橫向4.0 m 等寬，其中拱上立柱采用鋼結(jié)構(gòu)，其他橋墩采用混凝土。主拱為6.0×2.0 m 等尺寸矩形鋼箱拱，拱腳設(shè)4 m 長鋼混結(jié)合段，主拱矢高36～42 m，矢跨比2.2～2.4。中拱腳下基礎(chǔ)為9 根φ1.8 m 鉆孔灌注直樁+ 矩形承臺，邊拱腳為抵抗拱腳推力的作用，設(shè)計(jì)中采用4 根φ1.6 m 斜樁+6 根φ1.6 m 直樁的基礎(chǔ)形式，承臺采用圓柱體，并搭配削竹式護(hù)坡處理，提升整體景觀，主、引橋標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸如圖4所示。

圖4 跨高峰水庫橋斷面布置（單位：m）

2 橋梁方案選型

該橋受與上、下游隧道銜接，橋位平面與高程受到限制，如圖5 所示，造成其具有以下特點(diǎn)：

圖5 橋梁設(shè)計(jì)線位圖

（1）跨越水域范圍大（直接水域范圍L 約225 m，水域管理紅線范圍約245 m）；

（2）距水面高度高（主橋距離常水面位置H2平均高度約55 m 左右，H1為設(shè)計(jì)洪水位）；

（3）橋梁分幅較遠(yuǎn)且?guī)в虚L下坡（單幅橋?qū)?3.25 m，左右幅道路中心距37 m，全橋4%長下坡）。

若為了保護(hù)水庫水源，主橋可采用一跨跨過水庫，如懸索橋、斜拉橋、拱橋等方案，但懸索橋與斜拉橋造價(jià)過高，且由于橋位本身已經(jīng)很高，斜拉橋和懸索橋的主塔將會更突出，其經(jīng)濟(jì)性、景觀性和施工安全性都比較差；若為了提高方案的經(jīng)濟(jì)性，主橋可采用多跨過水庫，如連續(xù)梁橋、矮塔斜拉橋、拱橋等方案，但連續(xù)梁橋和矮塔斜拉橋景觀性差，對公園景觀沒有起到提升品質(zhì)的作用。綜上所述，拱橋無疑是最優(yōu)選擇。

拱橋可選的方案有上承式、中承式與下承式，如圖6 所示。若一跨過水庫且考慮與水庫的安全施工距離，則最小跨徑不小于260 m，選用單跨上承式拱橋的矢跨比將接近1/10，受力十分不利，故不選用；而采用單跨下承式拱橋（方案①）時(shí)，其橋下空間過大，景觀效果不理想，所以優(yōu)選單跨中承式拱橋（方案②）或多跨上承式連拱（方案③），二者均有較好的經(jīng)濟(jì)性和景觀性。相比方案②，方案③可有效降低主拱高度，施工安全性得到提升，同時(shí)右幅可利用水中小島減小跨徑，雖需水中立少量橋墩，但對水源影響并不大，造價(jià)卻大大降低。此外，設(shè)置多個(gè)橋墩也可限制主梁的順向偏位，較好地解決了主梁長聯(lián)大縱坡的順向位移問題，所以優(yōu)選三跨上承式連拱為最終橋梁方案，單孔跨徑為80～90 m。

圖6 拱橋方案示意圖

3 關(guān)鍵構(gòu)造和參數(shù)比選

3.1 主拱線型及矢跨比

跨高峰水庫拱橋?yàn)槿邕B拱，拱上設(shè)置立柱，如圖7 所示，常規(guī)拱橋?yàn)槭构拜S線與拱上荷載的壓力線相吻合，從而充分利用材料強(qiáng)度，一般會設(shè)置合理拱軸線，對于沿拱跨分布的多點(diǎn)對稱集中荷載時(shí)，合理拱軸線應(yīng)為多段折線[2]，但其景觀效果差。為兼顧主拱受力與景觀，最終確定主橋拱軸線采用懸鏈線形式。

圖7 拱軸線比選方案

由于主梁距水面平均高度超50 m，主橋跨徑L1～L3為80～90 m，主拱采用常規(guī)矢跨比則拱腳至地面會有一定高差h，在拱腳水平力V 的作用下產(chǎn)生附加彎矩M=V·h。因此，針對不同拱軸線比選a～d 四種方案，矢跨比分別為1/5～1/2.25 之間，矢跨比的增大將使拱腳與水平夾角α 增大，拱腳水平推力V 和拱腳至地面高差h 均會減小，使用較大的矢跨比一定程度上會改善拱腳的受力。綜合考慮受力與美觀效果，優(yōu)選較大矢跨比的方案d（矢跨比1/2.25），邊拱腳直接與基座承臺相連，拱腳受力更合理，且主拱較大的矢高也會使橋梁造型上更加新穎。

3.2 拱上立柱間距

立柱間距布置形式有密立柱（立柱間距比引橋跨徑?。┖拖×⒅⒅g距與引橋跨徑接近）兩種，二者均有工程實(shí)施前例，如拱上立柱采用密立柱布置如圖8（a）所示，拱上立柱采用稀立柱布置如圖8（b）所示。

圖8 不同立柱布置方式案例

對于本橋，山區(qū)公園內(nèi)橋址運(yùn)梁條件差，主梁吊裝高度大，主梁施工方案為鋼混組合梁頂推施工；同時(shí)，引橋考慮避讓地面綠道和施工便道，采用了25～28 m 的跨徑布置，為了頂推便利，主引橋宜跨徑接近，梁高相同，所以立柱間距推薦采用稀立柱布置，如圖9 所示。稀立柱布置可避免墩柱森立，通透性好，提升景觀效果；立柱數(shù)量適當(dāng)減少，可降低主拱受力和改善主墩受力，節(jié)省主橋造價(jià)。

圖9 不同立柱布置方式案例

3.3 有推力拱腳方案

拱橋根據(jù)拱腳受力特點(diǎn)可分為有推力拱和無推力拱，就國內(nèi)外已建成的上承式拱橋而言，絕大多數(shù)為有推力拱。對于有推力拱腳的設(shè)計(jì)，已有工程實(shí)例中所采用的方案主要包括：①地連墻基礎(chǔ)；②拱腳間設(shè)地系梁；③整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)或重力式基礎(chǔ)；④組合式橋臺或設(shè)置群樁阻滑體系；⑤斜樁+ 豎樁基礎(chǔ)等[3-9]。本項(xiàng)目處于公園內(nèi)，且根據(jù)勘察顯示，拱腳位置持力層平均深度約22 m，基巖面較深，基于此，比較不同拱腳基礎(chǔ)方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 有推力拱腳基礎(chǔ)方案比選表

根據(jù)表1 分析，為減少對公園環(huán)境的影響，顯然方案⑤是最優(yōu)選擇，承臺施工完畢后，將開挖土體回填并進(jìn)行綠化恢復(fù)，與原有坡面及自然景觀融為一體，公園景觀也得到了有效提升，如圖10 所示。

圖10 削竹式基坑支護(hù)示意圖

4 施工方案比選

4.1 主拱施工方案

上承式拱橋的施工方案為先拱后梁，主拱的常規(guī)施工方案包括斜拉扣掛懸索吊裝施工、轉(zhuǎn)體施工、少支架拼裝法，前兩者一般適用于橋下范圍內(nèi)不具備作業(yè)空間的情況，而且施工復(fù)雜性和技術(shù)難度大，施工費(fèi)用高。由于高峰水庫并無通航需求，水庫水深較淺，具備施工作業(yè)空間，因此采用少支架拼裝+龍門吊吊裝的方法，如圖11 所示。施工技術(shù)成熟，安全性好，造價(jià)最低，施工過程中做好水質(zhì)保護(hù)工作，對水庫水源影響較小。

圖11 主拱施工示意圖

4.2 主梁施工方案

該橋主梁選擇鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，鋼主梁常規(guī)施工方案有三種：汽車吊或履帶橋架設(shè)、架橋機(jī)架設(shè)和頂推施工。該橋位較高，采用汽車吊或履帶橋架設(shè)，施工風(fēng)險(xiǎn)較高；而對于架橋機(jī)架設(shè)，其施工速度較慢；該橋由于主引橋跨徑接近，梁高均為相同高度，采用頂推施工不僅施工速度快，且技術(shù)成熟，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，因此，主梁施工最終選擇頂推施工方案。

5 結(jié)語

上承式拱橋有悠久的建造歷史，具有良好的傳力體系和優(yōu)美的造型，適用于具有較高橋位的山區(qū)峽谷或者水道?？绺叻逅畮鞓虻某晒?shí)踐驗(yàn)證了上承式拱橋在山區(qū)公園中的適用性、可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性。它的建成也將成為深圳市最大跨度的上承式拱橋，在設(shè)計(jì)中踐行了創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了景觀藝術(shù)與功能作用緊密結(jié)合，其方案設(shè)計(jì)研究可為今后同類橋型的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。