新型飞鸟式系杆拱桥的方案设计研究与分析

朱巍志 张 哲 付 裕 檀永刚 赵维贺

（大连理工大学桥梁工程研究所1） 大连 116023） （北京市市政工程设计研究总院2） 北京 100045）

0 引 言

飞鸟式拱也称飞燕拱，是钢管（混凝土）拱桥中极具特色的一种桥型.它是指两边跨为半跨悬臂上承式拱、主跨为中承式钢管（混凝土）拱，通过锚固于两边跨端部的拉索来平衡主跨大部分水平推力的桥梁结构，也有称自平衡式或自锚式的［1－3］.飞鸟式钢管（混凝土）拱桥中的主跨、边跨、主拱墩及系杆4大组成部分，四位一体，相互影响、相互依存，密不可分，无论哪一部分都无法独立存在［4］.飞鸟式拱桥最常见的是3跨结构形式，由于采用系杆平衡了拱的水平推力的绝大部分，使得桩基所受的水平推力大大降低［5］.飞鸟式桥型降低了平原地区或软基地区拱桥的下部与基础的工程量与造价，同时造型美观，因此受到人们的喜爱.

1 结构设计

拟建的奉化江大桥位于宁波市海曙区与江东区交界处，在芝兰桥与兴宁桥之间.该处河宽约200m.该桥为城市主干道，是连接宁波东西城区的重要桥梁.

该桥为3跨飞鸟式系杆拱桥，跨径为36m＋148m＋36m.主跨拱肋由空间布置的3根钢管拱组成，大拱高31.5m，桥宽39.2m，横向布置为6.1m＋11m＋5m＋11m＋6.1m，桥面横坡1.5%.桥梁立面和平面布置图见图1.该桥拱肋形式设计新颖，造型独特，可以为同类桥梁的设计提供参考.

1.1 上部结构

上部结构构造图见图2，拱圈采用通过拉杆和撑杆相互连接的3根钢管组成，钢管内仅拱脚处4m范围内灌注C50混凝土.钢管采用变厚度，拱脚处壁厚24mm，拱顶18mm，中间20 mm.钢管内部沿拱轴线方向每隔1.5m设一道环形横隔板，沿环向设16道纵向加劲肋，高度为150mm，以保证钢管的局部稳定性.3根钢管线形均采用抛物线，大拱直径1.8m，位于竖直平面内，矢跨比为1／4.7，2根直径1.5m的小拱位于竖直平面向两侧旋转22.19°的斜平面内，拱平面内的矢跨比为1／3.82，拱中心横桥向水平距离为11.50m，竖向距离为8.7m.

大、小拱间斜向撑杆采用直径500mm厚度12mm的钢管，顺桥向间距3m.小拱间横向拉杆采用直径180mm，厚度16mm的钢管，内部设37根直径5mm平行钢丝成品索，PE护套，冷铸锚具，锚固在小拱的拱圈内部，施工中需要张拉该索，以减小拉杆的拉力，保证管节点处焊缝的疲劳强度.

图1 桥梁布置图 （单位：m）

图2 上部结构构造图

钢箱梁采用闭口截面箱梁，方案一采用箱梁结构外加悬臂梁；方案二采用全封闭钢箱梁.梁高2.25m，宽39.2m.顶板、底板厚度为14mm，采用正交异性钢桥面板，桥面板设6mm厚的U形加劲肋，沿纵桥向每3m设一道12mm厚的横隔板.端横梁采用钢横梁，腹板厚度为24mm，每2m设16mm厚的横隔板.对梁高进行了2.50，2.25，2.00m3种高度进行了优化，结果均能满足受力要求，但考虑到过桥管线的布置，本方案采用2.25m的梁高.

混凝土拱肋采用C50钢筋混凝土，截面为矩形，由2.1m×2.1m渐变到4m×4m.

吊杆采用平行钢丝成品索.顺桥向间距6m.直吊杆16根，斜吊杆28根.系杆采用6根OVMGT15－37成品系杆索.系杆的最大拉力为37 500kN.

1.2 下部结构

拱座采用C50钢筋混凝土.拱座下承台尺寸为8.2m×29.2m×3m，采用30根直径1.2m的钻孔灌注桩.边墩承台为5.2m×5.2m×2.0 m的3个承台通过地梁连接为一体.桩基础采用12根直径1.2m的钻孔灌注桩.

2 方案实施

施工步骤如下：施工主桥围堰、桩基础、施工临时墩；拱座、承台、桥墩.同时在工厂制作钢箱梁节段，钢拱圈→搭设临时栈桥，混凝土拱肋支架、主梁支架→现场浇筑混凝土拱肋→现场安装钢箱梁，钢箱梁合龙→现场搭设钢拱圈支架，安装钢拱圈，安装拱间撑杆、拉杆及拉杆内钢索→大拱内拱脚4m范围内灌注混凝土，张拉部分系杆→安装竖向吊杆、斜向吊杆→张拉竖向吊杆、斜向吊杆→拆除钢拱圈、钢箱梁支架→施工桥面铺装、人行道、栏杆等桥面系工程→调整吊杆力，调整系杆索力→安装装饰工程.

3 结构静力计算及优化

3.1 空间有限元模型

采用空间杆系有限元模型，主梁、拱圈、撑杆、拉杆、桩基础均采用梁单元模拟，吊杆、系杆、横向拉杆内的拉索采用索单元模拟，承台采用厚板单元模拟.模型共有节点1 994个，梁单元2 711个，索单元158个，板单元160个.计算模型中，在主梁与墩之间采用弹性连接模拟支座，通过计算支座刚度给出弹性连接的各方向刚度；桩底固结，桩体采用土弹簧模拟桩土相互作用.

3.2 荷载工况

恒载考虑结构自重，铺装9cm厚.

活载：汽车荷载，城－A级，双向6车道，折减系数0.55.

人群荷载，3.5kN／m2.温度考虑整体升温30℃，降温25℃.温度梯度按5℃考虑.

工况一：恒载（结构自重＋铺装等附加重量）.

工况二：恒载＋活载（考虑偏载情况的最不利组合）.

工况三：恒载＋活载＋温度（最不利组合）.

3.3 计算结果

恒载状态主梁最大挠度为4.8cm，如果施工中主拱设预拱度，通过张拉吊杆力可使主梁不产生向下挠度.最大拉应力为126MPa，位于小拱间的横向拉杆，本设计中横向拉杆内设预应力钢索，可以大幅度减小拉杆的拉力；最大压应力为113 MPa，位于小拱的拱脚处.

工况二的加载按6车道，采用影响线加载，求出最不利加载情况下的应力和位移，这个过程中已经考虑了车辆的偏载.最大拉应力为135MPa，位于小拱间的横向拉杆，本设计中横向拉杆内设预应力钢索，可以大幅度减小拉杆的拉力；最大压应力为157MPa，位于小拱的拱脚处.最大位移17cm.

工况三考虑恒载、活载、温度所产生效应的最不利组合.最大拉应力为137MPa，位于小拱间的横向拉杆，本设计通过张拉横向拉杆内的预应力钢索，大幅度减小拉杆的拉应力；最大压应力为161MPa，位于小拱的拱脚处.最大位移18cm.

3.4 优化计算

对于钢管混凝土拱方案和钢管拱方案分别进行计算，考虑混凝土的收缩徐变，对钢管混凝土拱方案进行了施工阶段分析，分别得到两种方案在恒载＋活载＋整体升降温的最不利组合下拱的应力结果，取压应力最大位置进行比较［6］.

如图3所示，取主拱及次拱的拱脚，距拱脚水平距离8.2m处4点.以下为各点最大拉（压）应力比较，其中压应力为负，拉应力为正.

图3 关键点位置示意图（单位：m）

从表1可以看出由于混凝土的收缩徐变以及活载作用下钢管混凝土方案中的混凝土局部区域出现了拉应力，最大处达到了6.4MPa，钢管拱方案由于在应力较大的区域加大了管壁厚度，最大压应力为161MPa，而钢管混凝土拱方案最大压应力为162MPa，由此可以看出钢管拱方案要优于钢管混凝土方案.因此本方案采用钢管内用加劲肋加强，仅在拱脚处4m范围内灌注混凝土的设计方案.

表1 关键点应力比较MPa

4 稳定计算及特征值分析

建立荷载最不利工况，对结构进行屈曲分析，得到该桥最小的稳定系数为6.944，满足规范大于4到6的要求，为拱肋的整体失稳，失稳模态表现为拱肋的面外反对称弯曲失稳［7］.

将结构自重和二期恒载转化为质量，即建立模型的质量矩阵，并将吊杆和系杆的初始刚度赋予结构，利用多重Ritz向量法对其进行特征值分析，得到各阶振型，表2列出了前10阶振型的频率和振型形态描述.从结果可以看出，该桥基频为0.712 2Hz，说明该桥的整体刚度较大，由于采用了抗扭刚度较大的钢箱梁截面，主梁的1阶对称扭转振型并未出现在第1阶，而是第4阶.

表2 成桥状态固有频率和振型表

5 结 束 语

本文通过宁波奉化江大桥的方案设计介绍了一种主跨拱肋形式新颖的飞鸟式系杆拱桥桥型，由方案设计介绍和空间有限元计算结果可以看出该桥型结构造型独特，受力安全可靠，具有良好的稳定性和动力特性，该方案设计和计算可以为同类城市桥梁的方案设计提供一定的参考和借鉴.

［1］陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］陈宝春.钢管混凝土拱桥实例集（一）［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］陈宝春.钢管混凝土拱桥综述［J］.桥梁建设，1997（2）：8－13.

［4］唐黎明，鲁应慧，刘新痴，等.武汉市江汉五桥的设计［J］.城市道桥与防洪，2002（2）：7－11.

［5］郑怀颖，陈宝春.飞鸟式钢管混凝土拱桥设计计算分析［J］.公路交通科技，2007（1）：90－94.

［6］Nazmy A S.Stability and load－carrying capacity of three dimensional long－span steel arch bridges［J］.Computers and Structures，1997，65（6）：857－868.

［7］Rubin M B.Buckling of elastic shallow arches using the theory of a Cosserat point［J］.Journal of Engineering Mechanics.2004，130（2）：216－224.