安庆晴岚路预应力混凝土门式刚构桥设计

王 骅，芦可琪

（浙江城建设计研究院有限公司，浙江 杭州 310005）

0 引言

门式刚构桥，因其腿和梁垂直相交呈门架形，而简称门架桥。腿所受的弯矩将随腿和梁的刚度比率的提高而增大，用钢或钢筋混凝土制造的门架桥,多用于跨线桥。

刚构桥按结构形式分类可分为门式刚构桥、斜腿刚构桥和T形刚构桥[1]；按分跨不同可分为单跨门构、双悬臂单跨门构、多跨门构和三跨两腿门构桥。

单跨门构适用于跨越运河及其他小河流的单跨桥梁，无需设置水中墩，它与同等跨径的拱桥相比，具有较大的通航净空；此外还适用于跨线桥。三跨两腿门构桥，在两端设有桥台，采用预应力混凝土结构建造时，跨越能力可达100多米。但由于门式刚构结构温度附加应力比普通结构大得多，通常情况下门式刚构结构不宜采用较大的跨径。目前国内已建成几座中等跨径的门式刚构桥梁，最大跨径为65 m。

1 工程概况

1.1 桥梁工程总体设计

为了贯彻安庆市委、市政府提出的“建设现代化双百城市”的宏伟战略目标，发挥安庆特有的丰富的自然和人文景观优势，突出安庆依山面水、带状组团城市空间构架——“两方云山两面江”、“半是山城半水城”的城市景观格局，突显近现代历史文化，保护好历史文化遗存，弘扬独特的地域文化，落实安庆市城市总体规划（2003～2020），对新河进行环境综合整治，总投资约10亿。本次桥梁工程隶属于安庆市新河环境整治工程，所有的桥梁必须与新河景观设计理念相匹配，一桥一景。

本次新河整个景观带整体分为4区，由西向东依次为湿地区、时尚区、活力区、休闲区，反映出由“自然—文明—高潮—回归自然”的过程，由此新河的桥梁总体布置成为“一核·两面·城市画卷”的格局（见图1）。

结合地理特色、人文、历史的同时依据景观的主题分区，将各种不同桥型融入其中，展现安庆的特点特色，总体桥梁布置如图2。

其中4号桥即晴岚路桥，刚劲却又飘逸的主梁，渲染成红色，酷似红色的飘带，刚柔并济，取意于黄梅戏戏服上的飘带，将其取名为“红舞宜城”。

1.2 晴岚路桥型设计介绍

1.2.1 桥梁主题立意

此桥位于景观分区中的“时尚区”，是桥梁建筑总体立意两面中的西面，展现“自然、人文历史”主题。黄梅戏是起源于安庆的中国传统戏剧，如今，红色时尚，戏曲时尚，为时尚的定义拓展了更加宽广的空间和深厚的内涵，民族的也是世界的，传统的也是时尚的。因此，该桥采用轻盈飘逸、结构新颖的门式刚构桥型一跨过河，以红色进行渲染，将主梁营造出黄梅戏舞台上那根飘舞的红飘带，该立意与黄梅戏的标志有着异曲同工之妙；在桥梁两端采用花岗岩干挂浮雕，浮雕图案可采用黄梅戏经典剧照《天仙配》、《夫妻观灯》、《蓝桥会》等。

此桥体现了历史与自然的融合，传统与时尚的承接，与景观节点蓝林相会遥相呼应，向游人展现安庆深厚的文化底蕴，讲述安庆人在继承和发扬传统文化的同时发生的那一个个与浪漫有关的时尚故事。

1.2.2 桥型设计

本次设计的门式刚构桥采用单跨62 m，桥长73 m。主梁采用变截面的预应力钢筋混凝土箱梁，跨中梁高1.8 m，梁底曲线采用二次抛物线，形成优美的弧线，一跨过河。与传统刚构桥的不同之处在于，它不在水中设桥墩，将下部结构减少到只有两个桥台，这样的设计使其体现了轻盈飘逸的特点（如图3）。正如安庆传统文化——黄梅戏舞台上那根飘舞的红带，简洁而不失韵味，典雅而又有诗意，也正符合了该区块建筑形式的规划特色——自然与人文历史。

图1 桥梁整体立意分析图（一）

图2 桥梁整体立意分析图（二）

图3 晴岚路桥效果图

1.2.3 建筑设计

主梁采用红色外墙防水涂料渲染，栏杆底座外侧采用红色仿古砖镶边。桥梁两端的两侧门式刚架表面采用方形花岗岩干挂浮雕，全桥共4面，浮雕图案采用黄梅戏经典剧照阳刻。桥梁栏杆采用简洁，浅灰色调，可塑性强的仿石栏杆，一方面方便在栏板上雕刻各种戏曲文化图案；另一方面，浅色调且不厚重的栏杆可突出主梁、浮雕的主题风格，尽量减少栏杆对桥梁建筑的整体风格的影响。

1.3 桥型布置

上部结构：横断面为0.25 m（栏杆）+4.5 m（人行道）+8.0 m（行车道）+8.0 m（行车道）+4.5 m（人行道）+0.25 m（栏杆）=25.5 m，梁体采用单箱多室截面，梁底曲线为圆曲线，梁顶各变坡点处均设圆形竖曲线。桥面纵坡通过箱梁顶面纵坡形成。

箱梁跨中高度1.8 m，端部高度3 m，底宽22.9 m，顶宽25.5 m，两边挑臂各1.3 m。为增加梁部板体的抗扭刚度，每隔5.2 m设一道横隔板。

竖墙及斜墙：采用V字形预应力钢筋混凝土矩形截面，由竖墙及斜墙组成，采用壁厚0.6 m的薄壁实体结构，竖墙与斜墙间由两道宽0.6 m的实体墙连接。

基础：桥梁设三排桩的群桩基础，采用φ120钻孔灌注桩。

预应力体系：梁体及斜墙按A类预应力设计。梁体预应力钢束分别采用 17φ15.2、13φ15.2、9φ15.2高强度低松弛预应力钢绞线。刚构负弯矩区顶面设置13φ15.2钢束，腹板设17φ15.2通长弯起钢束，梁端区域范围内设置9φ15.2钢束。

1.4 主要建筑材料

（1）混凝土：斜墙、梁体采用C50混凝土;承台采用C30混凝土;桥面铺装采用沥青混凝土;桩采用C25水下混凝土。

（2）预应力钢绞线：采用符合GB/T 5224－2003标准高强度低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量 Ep=1.95×105MPa，松弛率为3.5%，钢绞线规格为φ15.20 mm。

2 结构计算与结果分析

2.1 模型建立

本次设计模型计算跨径62 m，主梁跨中截面高度1.8 m，端部截面高度3 m。参考公路门式刚构桥设计资料，一般情况下，跨中梁高与主梁跨度的比值可取1/30～1/35，该桥设计为1/34.444，跨中梁高在合适范围内；而根部梁高与跨中梁高之比一般取1.2～2.5，该设计为1.667，说明根部梁高设计也较合适[2]。活载按照JTG B01-2003规范取车道荷载及人群荷载；系统温度按照升温25℃，降温15℃取值；温度梯度按照JTG D60-2004规范考虑升温梯度及降温梯度[3-4]。

支座采用弹性支座，根据群桩基础的分布情况及现场的地址条件得出：顺桥向刚度为1 234 567 N/mm、竖向刚度33 333 333 N/mm、转角刚度 46 000 000 kN·m/[rad]。

张拉控制应力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，9φ15.2预应力钢绞线张拉力为1 757.7 kN，用外径为80mm的波纹管成孔；13φ15.2预应力钢绞线张拉力为2 538.9 kN，用外径为90 mm的波纹管成孔；17φ15.2预应力钢绞线张拉力为3 320.1 kN，用外径为90 mm的波纹管成孔；采用YCW150B型千斤顶张拉。

门式刚构桥为超静定结构，而桥台的不同构造（如桥台的高度、厚度、斜墙与竖墙的间距及斜交角），对全桥的内力分配起着较大的影响，即桥台所受的弯矩将随桥台和梁的刚度比率的提高而增大。桥台的高度、斜墙与竖墙的间距及斜交角往往受到桥位和桥梁标高等因素的控制，常常不能随意调整，因此在本次设计过程中，根据斜墙与竖墙厚度的不同，提出了两个不同的方案，并分别采用Midas/civil软件建立模型，进行计算，全桥划分284个梁单元。

（1）模型一：桥台斜墙与竖墙取60 cm（见图4）；（2）模型二：桥台斜墙与竖墙取100 cm。

2.2 模型一计算结果

模型一在弹性阶段荷载组合下，上下缘应力包络图如图5、图6。

从图5中可以看出，刚构桥上缘应力最不利点出现在单元128左截面、单元229右截面（该截面既出现在负弯矩最大值处，又是实心段截面与箱型截面的分界点）、跨中单元截面。

从图6中可以看出，刚构桥下缘应力最不利点出现在单元135（梁端部钢束结束点）、跨中截面以及桥台斜墙、竖墙的两端。

图4 模型立面图

图5 上缘应力图包络图

图6 下缘应力图包络图

2.3 模型一与模型二计算结果比较

两个模型的不同点在于桥台斜墙与竖墙厚度的不同，也就说明模型二桥台的刚度要大于模型一的桥台，根据结构力学的理论，模型二的桥台必然要比模型一的桥台分担更多的内力，因此作者在建立桥台模型时根据初次计算结果调整了斜墙钢束的配筋量，模型二斜墙采用12φ15.2和13φ15.2的钢束，而模型一桥台斜墙采用9φ15.2和12φ15.2的钢束（两个模型钢束的根数相同）。选取了梁的端部反弯点、1/4跨、跨中截面及斜墙和竖墙两端的最不利应力，计算结果汇于表1。

表1 应力汇总表

2.4 结果分析

从表1中可以看出，桥台刚度变化所引起的结构内力分配变化主要体现在上部梁体的跨中单元以及桥台斜墙、竖墙的两端，且各有利弊。

（1）加大桥台截面的优点

桥台刚度变大后对上部梁体的跨中截面应力是有利的，上缘压应力由模型一-11.9 MPa减小到模型二的-11.7 MPa；下缘压应力由模型一-1.3 MPa增加到模型二的-1.4 MPa。与此同时，随着截面的加大，斜墙下缘压应力最大值也由-10.2 MPa减小到模型二的-7.7 MPa。

（2）加大桥台截面的弊端

显然，桥台刚度的提高，增加了桥台自身的附加内力，再增加钢束数量的同时，上缘压应力却平均下降2 MPa。

3 结语

从对刚构桥特性的了解，我们认识到门式刚构桥的构思是利用桥台与上部结构的固接构造，使跨中弯矩减小，同时在桥台与梁结合处产生弯矩与推力，从而达到提高单跨跨径的目的。通过建模计算、比较分析后，我们又注意到桥台刚度的变化直接影响到整个结构的内力分布问题。从本次设计情况看，适当增加桥台截面有利于减小上部梁体跨中弯矩，但效果并不明显，却付出了相对更高的经济代价，在原本能够满足设计要求的情况下，对实际工程项目来说是不太合理的，因此在本次设计中，采用斜墙壁厚60 cm的方案。

[1]林元培.桥梁设计工程师手册[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4]邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算[M].北京：人民交通出版社，2007.