梁拱組合橋總體方案比選設(shè)計(jì)

高莉莉

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

隨著改革開放的不斷深入，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)工程建設(shè)的投資力度加大，國(guó)內(nèi)交通事業(yè)獲得了極大的發(fā)展與進(jìn)步，橋梁作為交通工程的重要部位也得到了迅速發(fā)展[1]，從梁橋、拱橋到斜拉橋、懸索橋都實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)與完善[2]。梁拱組合橋綜合了梁橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便和拱橋跨越能力強(qiáng)、造型美觀等主要優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁工程中受到橋梁設(shè)計(jì)師的青睞，正逐步得到應(yīng)用[3]。

組合結(jié)構(gòu)體系是通過將兩個(gè)或以上的經(jīng)典結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行組合或疊加形成的力學(xué)行為相對(duì)更復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和冗余度更優(yōu)異的新體系，可以有效規(guī)避傳統(tǒng)單一的橋梁結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)并充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。將梁橋和拱橋在結(jié)構(gòu)體系上進(jìn)行組合形成梁拱組合橋，可突破單獨(dú)采用兩者之其一的局限性。根據(jù)主拱相對(duì)于主梁的豎向位置，梁拱組合橋一般分為上承式、中承式和下承式[4]。當(dāng)前，針對(duì)大跨徑中承式和下承式梁拱組合橋，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者已開展了廣泛而深入的研究并且成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。梁拱組合橋與通常的拱橋和梁橋相比，有很多優(yōu)勢(shì)。梁拱組合橋較低的梁高對(duì)于降低橋梁高度，縮短橋長(zhǎng)，降低總體造價(jià)有很大的優(yōu)勢(shì)[5-6]。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目為通州運(yùn)河核心區(qū)市政配套工程北關(guān)大道跨通惠河橋梁工程。通州運(yùn)河核心區(qū)規(guī)劃范圍約16 km2，地處通州五河交匯處，自然景觀優(yōu)美，歷史底蘊(yùn)深厚，是通州新城未來的城市中心。運(yùn)河核心區(qū)的功能定位為：北京新商務(wù)中心區(qū)，北京國(guó)際新城的示范區(qū)。規(guī)劃運(yùn)河核心區(qū)以多功能混合用地為主，具體包括商務(wù)辦公、酒店、公寓、商業(yè)、文化娛樂、體育休閑等，同時(shí)結(jié)合市、區(qū)級(jí)保護(hù)文物建設(shè)大面積城市綠色開敞空間，以高水平的人性化設(shè)施來提升綜合服務(wù)能力，強(qiáng)力打造運(yùn)河北京新商務(wù)中心區(qū)，建設(shè)現(xiàn)代化國(guó)際新城。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁位于北京市通州區(qū)新華北路東側(cè)現(xiàn)狀通惠河河道上。北關(guān)大道位于通州區(qū)核心區(qū)內(nèi)，規(guī)劃為城市次干路，設(shè)計(jì)速度40 km/h。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為四幅路，布置為兩上兩下4 條機(jī)動(dòng)車道。橋梁線位服從北關(guān)大道道路線位，墩臺(tái)中心線平行河道擋墻邊線布置，橋梁縱向中心線與支承邊線夾角為87.07°。橋梁位于道路直線和圓曲線上，北端伸縮縫以南約5 m 位于圓曲線上，曲線半徑500 m，其余部分均位于直線段上。

3 工程地質(zhì)及建設(shè)條件

3.1 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，按成因年代將勘探深度（60.00 m）范圍內(nèi)土層劃分為人工堆積層及第四紀(jì)沉積層兩大類，并按其巖性、物理力學(xué)性質(zhì)及工程特性進(jìn)一步劃分為8 個(gè)大層及亞層。

擬建場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。擬建橋梁工程的場(chǎng)地類別為Ⅲ類，屬于對(duì)抗震的一般地段，場(chǎng)地現(xiàn)況詳見圖1。

圖1 擬建場(chǎng)地現(xiàn)況

3.2 建設(shè)條件

北關(guān)大道跨通惠河橋位整體呈西北—東南走向，位于通州運(yùn)河核心區(qū)的商務(wù)北區(qū)、商務(wù)南區(qū)和水鄉(xiāng)區(qū)交界位置，橋位西北角為商務(wù)北區(qū)的華業(yè)公司地塊，規(guī)劃建設(shè)低層商業(yè)用房和高層商務(wù)公寓樓；橋位東北角為水鄉(xiāng)北區(qū)，規(guī)劃建設(shè)低密度，具有水鄉(xiāng)特色的水鎮(zhèn)商業(yè)街、新興產(chǎn)業(yè)和高端服務(wù)業(yè)建筑；橋位東南角為水鄉(xiāng)南區(qū)，規(guī)劃建設(shè)大面積的水系和濕地，其中緊鄰南側(cè)橋頭的是遷建的文保建筑——程家大院仿古建筑群；橋位西南角為水務(wù)部門用地范圍，規(guī)劃建設(shè)濱河的濕地和景觀設(shè)施。

4 梁拱組合橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 橋梁造型設(shè)計(jì)

本橋所處的通州五河交匯區(qū)域，自然景觀優(yōu)美，歷史底蘊(yùn)深厚，是通州新城未來的城市中心，對(duì)橋梁美觀性要求很高。本橋?yàn)楸标P(guān)大道的重要組成部分，在滿足交通、防洪、排水及通航功能的前提下，本著安全、美觀、新穎、適用、經(jīng)濟(jì)的原則，結(jié)構(gòu)造型應(yīng)充分重視景觀效果，與沿河水環(huán)境、自然景觀和古燃燈相呼應(yīng)，與北運(yùn)河?xùn)|側(cè)將要建設(shè)的高約350 m 的雙環(huán)標(biāo)志性建筑相協(xié)調(diào)，充分展現(xiàn)北京厚重的歷史文化與蓬勃向上現(xiàn)代城市文化的交融。

本橋不僅具有重要的交通功能，同時(shí)也是通惠河上重要的標(biāo)志性建筑，將與通惠河兩岸形成良好的銜接，共同創(chuàng)造優(yōu)美的濱水堤岸景觀。由于本橋梁重要的交通及景觀功能，業(yè)主單位及當(dāng)?shù)卣畬?duì)橋梁造型方案非常重視，經(jīng)過全橋方案征集和后期多次的調(diào)整與優(yōu)化，最后確定跨通惠河橋的橋梁方案為“青葉伏波”。

4.2 橋梁布置

因橋位處管線、地鐵等各項(xiàng)控制要素較多，故橋長(zhǎng)和橋跨布置綜合考慮了各方面因素。

4.2.1 橋長(zhǎng)

北側(cè)橋臺(tái)布置以不影響現(xiàn)況管線和地鐵為原則的基礎(chǔ)上，盡量靠北布置，橋臺(tái)底高位于北側(cè)現(xiàn)況污水管之上，邊線與現(xiàn)況污水管的水平距離約2.3 m，橋臺(tái)樁基距離污水管的最小距離約2.7 m，距地鐵結(jié)構(gòu)邊最小距離約4.1 m。南側(cè)橋臺(tái)布置以不影響行洪為原則，橋臺(tái)內(nèi)邊線布置在河道堤頂內(nèi)邊線以外。

4.2.2 主跨

橋梁設(shè)計(jì)階段，分別對(duì)主跨55 m、60 m、70 m 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體布置和初步計(jì)算分析，并進(jìn)行了比選。

對(duì)于主跨的確定主要從以下4 個(gè)方面來考慮：（1）從行洪要求考慮，一跨過河，不縮減河道主槽的50 m 凈寬，減小橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)于正常過水的影響。（2）從景觀要求考慮，主拱對(duì)稱于河道主槽布置。（3）從結(jié)構(gòu)受力考慮，盡量減小主跨，加大邊跨。因橋梁總長(zhǎng)確定，邊跨較小，難以達(dá)到合理的邊中跨比例，故設(shè)計(jì)中盡量加大邊跨，以減小主墩水平推力和邊墩基礎(chǔ)負(fù)反力。（4）從總體層面考慮，拱腳盡量避開現(xiàn)況河道擋墻。

通過比較，若橋梁主跨為60 m，最大程度上避免了對(duì)河道行洪斷面的影響，同時(shí)主拱也更加簡(jiǎn)潔、美觀。主墩以道路中線與河道中線的交點(diǎn)為軸，在兩側(cè)的河道二層平臺(tái)內(nèi)對(duì)稱布置，60 m 主跨使主墩基本避開了現(xiàn)況河道擋墻，又能保證沿主拱肋布置的觀景步道與二層平臺(tái)步道順接，方便行人。另外，若主跨為70 m，主拱矢跨比達(dá)到1/10，主墩基礎(chǔ)水平推力過大，如果完全由基礎(chǔ)自身來承擔(dān)，需要大體量的基礎(chǔ)，與現(xiàn)況管線又有矛盾。

綜合考慮，橋梁主跨采用60 m，對(duì)稱于河道中線布置，故跨徑布置為11.5 m+60 m+18.5 m。

4.2.3 主拱矢高

目前，河道北岸的北環(huán)環(huán)隧出入口已經(jīng)施工完畢，華業(yè)地塊也已經(jīng)開始實(shí)施，故拱頂高程基本確定，同時(shí)主拱外設(shè)置的景觀步道還要滿足從橋面到河道二層平臺(tái)的聯(lián)通需求，故矢高基本確定，調(diào)整的幅度很小，主拱矢高確定為8.5 m，矢跨比為1/7。

4.3 橋梁體系比選

綜合上文分析，根據(jù)橋梁造型要求、河道行洪要求、橋梁兩端道路接線要求、橋下水位和通航凈空要求，橋梁總體布置基本確定。主跨計(jì)算跨徑60 m，計(jì)算矢高8.5 m，矢跨比1/7。全橋橫向共設(shè)6 片拱肋和縱梁，半幅橋3 片。在此基礎(chǔ)上提出3 種結(jié)構(gòu)體系作為比選方案，并進(jìn)行整體受力分析計(jì)算。

方案1：縱梁拱端和橋臺(tái)端均固結(jié)，有邊拱。

方案2：縱梁拱端和橋臺(tái)端均簡(jiǎn)支，有邊拱。

方案3：縱梁拱端固結(jié)，橋臺(tái)端簡(jiǎn)支，無邊拱。

經(jīng)過計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析：

1）方案2 和方案3，中墩水平推力和彎矩大幅增長(zhǎng)，需要強(qiáng)大的下部基礎(chǔ)來承擔(dān)，不適用于本工程的地質(zhì)條件，若采取在主墩之間張拉系桿解決水平推力過大問題，但只能在河底設(shè)置，檢修維護(hù)困難，有一定風(fēng)險(xiǎn)，目前應(yīng)用的實(shí)例很少；

2）方案2 和方案3，主拱應(yīng)力有一定增加，需通過增加截面尺寸來克服；

3）方案2 和方案3，結(jié)構(gòu)剛度較小，變形較大，勢(shì)必影響長(zhǎng)期使用性能；

4）方案1，拱肋產(chǎn)生應(yīng)力和橋臺(tái)負(fù)反力。

計(jì)算分析結(jié)果詳見表1。

表1 主要效應(yīng)計(jì)算結(jié)果比較表

綜合以上因素分析，選取兩端固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式更合理，兩端固結(jié)橋梁即整體式無縫橋梁，其設(shè)計(jì)分析也具有重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

通過對(duì)橋梁的建設(shè)條件、橋型選擇的分析比選，通惠河橋采用了上承式梁拱組合體系。本橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，整體受力較為復(fù)雜，各構(gòu)件相互影響因素大，局部存在受力集中的現(xiàn)象。橋梁的整體計(jì)算分析為深化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，后續(xù)還需要對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行更加詳細(xì)的計(jì)算。

在計(jì)算分析過程中，由于該橋主跨大，邊跨過小，易造成邊跨梁端出現(xiàn)負(fù)反力，所以需設(shè)置大體量的端墻壓重。根據(jù)本橋的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中將端墻壓重的構(gòu)造需求與整體式無縫橋技術(shù)結(jié)合，即將橋臺(tái)與縱梁固結(jié)，充分利用其自重作為壓重，取消了伸縮縫。這樣，既滿足了邊中跨不匹配帶來的平衡需求，又提高了橋面行車舒適性，減少了橋梁運(yùn)營(yíng)期間的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

本方案橋采用有千年歷史的拱造型，實(shí)為上承式三跨連續(xù)梁拱組合橋。橋面行車視野開闊，河面景色一覽無余。拱肋優(yōu)美的曲線，實(shí)現(xiàn)了視覺的沖擊與力線的暢流。上承式梁拱組合體系在主墩頂拱圈與上部主梁之間形成大三角剛構(gòu)區(qū)域，視覺通透、簡(jiǎn)潔美觀，是使用當(dāng)代建筑手法對(duì)傳統(tǒng)中國(guó)元素全新演繹的新時(shí)代水鄉(xiāng)橋?？蔀橥悩蛄旱脑O(shè)計(jì)提供參考。