天津安阳桥设计关键技术

张振学，洪 全，郭会国

（天津城建设计院有限公司，天津300073）

1 工程概况

安阳桥位于天津市滨海新区中心商务区于新道跨海河处，东连于家堡金融区，西接响螺湾商务区。主桥跨径布置为20 m+22 m+220 m+22 m+20 m，全长304 m，双向6车道。安阳桥主桥为无推力空间钢网拱桥，主拱为双轴对称空间钢网拱结构，主梁主跨为主次梁梁格结构，左右两幅，横梁间距8 m，边跨为整体正交异性钢箱梁（见图1）。

安阳桥层次丰富、变化多样，它重构城市天际轮廓、显得大气而又独特。安阳桥主拱不是一个常规概念上的钢拱，而是一束沿桥纵向布置的空间拱，它既体现了桥梁结构各方向的通透性，又展现了因角度不同而呈多姿多彩的形态（见图2）。安阳桥主拱分两部分，表达“大鹏展翅”之意，而中央则是悬挂桥面的主体结构。桥面也于中央分成两幅，引导光线照射到桥下的水面。两片拱就像两片略为卷曲的叶子，其凹面朝向桥面边缘，以及河道。这两片由多根钢拱重重叠叠组成的巨型的“叶子”在其两端逐渐收紧，并小心翼翼地植根于支座。桥面外侧的缆索将桥面悬挂于中央的钢拱之上，车辆与行人都在这些缆索的内侧。

安阳桥在城市景观桥中独竖一帜，不仅在桥梁建筑上有着其独特的艺术魅力，在桥梁结构上也有其独到的地方。安阳桥为拱桥，且矢跨比小，安阳桥场地为软土地基，在软土地基上设计大跨度拱桥，是该工程设计的关键技术问题。在安阳桥桥梁结构中，空间主拱在拱脚处交汇于一点，安阳桥的整体稳定是该工程的一个控制问题。在安阳桥方案中，拱和梁是分离的，拱梁之间的连接仅通过吊杆连接，拱梁之间的连接方式、实现方式及对整体桥梁结构的影响是该桥结构分析中必须考虑的问题。安阳桥主拱刚度相对较弱，梁的刚度也较弱，拱梁刚度的匹配和调整是该桥设计中反复调整的问题。安阳桥主拱由14道独立的小拱箱组成，拱间横连间距8 m，小拱和拱间连接共同形成主拱，主拱的应力调整、施工可行性是设计中反复讨论的问题。安阳桥主拱为空间钢网拱结构，在桥面以下，由于其截面变小，为钢拱箱结构，拱箱和小拱的界面位置、施工工艺和构造处理都是设计应仔细考虑的问题。在安阳桥拱脚设计中采用了铸钢构件，铸钢构件的设计、铸造、运输安装、焊接工艺是设计施工需要解决的难题。安阳桥为大跨度拱桥，在地震作用下下部结构的反力巨大，该桥的减隔震体系的布置和设计是该工程设计慎重考虑的问题。安阳桥为空间钢网拱桥，现行通用规范和抗风规范都没有对应于该桥结构抗风验算，安阳桥的抗风设计是该工程设计值得研究的科研问题。

2 安阳桥桥梁结构

安阳桥为无推力空间钢网拱桥，由主拱、主梁、斜撑、拉杆、吊杆和铸钢件几部分组成，见图3所示。安阳桥主拱为双轴对称的异形空间钢网拱结构，主拱在桥面以上为拱网结构体系，桥面以下为异形拱箱结构。中心拱轴线距拱脚定位点39.8 m，跨度220 m，矢跨比为1/5.53。主拱为异形变截面，在桥跨中点处，主拱截面高11.6m，宽15.4m，在拱脚处截面高2.8 m，宽3.6 m。桥面以上拱网由14道独立的小拱箱通过间距8 m的拱间横向连梁连接而成，钢网拱横截面左右对称，呈倒梯形，两腰为弧线，顶部位下凹折线。在桥面附近位置，14道小拱箱合并成一个大钢拱箱结构。

安阳桥主梁为钢梁，分为主跨部分和边跨部分。主跨为主次梁梁格体系，分左右两幅，通过连接横梁连接，间距8 m。单幅钢梁设一大一小纵梁，大纵梁为四边形截面，宽度5.2 m，高2.3 m；小纵梁也是四边形截面，宽度2.6 m，高1.8 m。主横梁间距8 m，与吊杆间距相同，次横梁间距4 m，主横梁为变截面箱梁，宽0.75 m，高度从2.3 m变到1.5 m，次横梁为变截面工字梁，宽0.3 m，高度从2.3m变到1.5 m。边跨为整体正交异性钢箱梁，梁高2.3 m，左右变高度，同主跨梁格。

安阳桥吊杆分为四个吊杆面，主梁外侧和主梁内侧各两道，吊杆采用平行钢绞线，外侧采用GJ15.24-12型号，内侧采用GJ15.24-5型号。

在主拱拱脚处有三道斜撑，斜撑为变截面箱形，截面上大下小，三道斜撑传递主拱传来的水平分力。主拱拱脚与三道反向斜撑之间，通过铸钢件相连，铸钢为空间三维结构。

由于该桥的主跨较大220 m，边跨相对较小42m，在边跨墩位会出现很大的支座负反力。为了防止边跨负反力的出现，特设置拉杆墩位，使得边跨处于受压状态。拉杆设置四道，位于主次梁的位置，拉杆为钢板，厚100 mm。

3 安阳桥桥梁结构受力体系设计

安阳桥为空间钢网拱桥，与普通拱桥的受力一样，拱桥的水平推力是设计必须考虑的问题。安阳桥主跨跨径220 m，矢跨比为1/5.53，矢跨比较小，主拱产生的水平分力有9 000 t。安阳桥处的地基为软土地基，在软土地基上设计抵抗如此巨大水平力的桩基，难以实现。在主梁内加设拉杆，来平衡恒载产生的水平推力，但是在活载和整体升降温作用下，主拱也有4 000 t的水平力。在拱脚处设置支座，形成中承式梁拱桥梁结构，一个拱脚墩为固定墩，其余为顺桥向滑动墩，释放了该桥在恒载、活载和整体温度作用下的水平力。然而，在地震作用下，拱脚固定墩的反力比恒活载产生的还要大，这对该桥抗震极为不利，固定墩基础难以实现，因此，安阳桥减隔震体系的设计又是该工程的一个难题。在安阳桥桥梁结构中，空间主拱在拱脚与三道斜撑交汇于一点，拱脚主墩的支撑为一个点支撑，安阳桥的整体稳定是该工程的一个控制问题。安阳桥主拱稳定是靠主拱与主梁的拉杆，主拱的稳定就要求主梁的扭转角度很小，因此，横桥向布置的四个拉杆是该桥稳定的关键点。另外，由于主拱拱脚在横桥向为一个支撑点，在活载偏载作用下，该桥边跨有较大的横桥向水平力，这也是常规桥梁设计不曾出现的问题，在设计中应增加适当的构造要求。

4 安阳桥主拱设计

安阳桥主拱的设计是该工程的一大重点，在安阳桥最初的方案中，拱和梁是分离的，拱梁之间的连接仅通过吊杆连接。拱梁之间的连接方式、实现方式及对整体桥梁结构的影响是该桥结构分析中必须解决的问题。通过反复计算对比拱梁分离、仅横向支撑、铰接和刚接几种工况，最后确定为拱梁刚接的形式（见图4）。安阳桥为城市景观桥，在设计主拱的线形和杆件尺寸时，为了更能表现主拱的通透性，尽可能保证主拱线形和降低截面的外形尺寸，这使得主拱的设计有很大的难度。安阳桥主拱轴线的线形为桥梁艺术的创意，与合理拱轴线有一些差异，主拱的传力途径和受力特点在设计中应当注意。以前的常规拱桥，主拱为一刚性构件，拱构件本身具有很大的刚度和整体性，而安阳桥的主拱为多拱轴线空间钢拱结构，由14条小拱通过间距8 m的拱间横向连梁连接而成，主拱的整体性和刚度相对较弱，且该桥跨度较大，主梁和主拱的刚度分配调整是设计过程中反复调整的一个问题。在主拱与桥面相连的附近，主拱截面高度较小，14条小拱通过拱间横连相连，横连杆件的尺寸较短，易形成刚性短杆，拱间横连设计时要考虑刚性短杆的影响。主拱空间尺寸较小，空间交汇杆件较多，各杆件相对较短，各杆件连接设计不仅要考虑拱间横连在其平面内的连接，而且也要考虑拱间横连与主拱在其平面外的连接。在主拱与桥面相连的附近，14条小拱变成一个钢拱箱，小拱变拱箱位置的确定，是设计过程中反复讨论的问题。为了实现拱的通透性，拱箱尽可能地短，但为了在施工中能实现，拱箱又不宜过短。在小拱变拱箱处，由于主拱刚度的突变，容易引起应力集中，此处的构造处理和措施也是设计中反复讨论的问题。

5 安阳桥铸钢和拉杆设计

在主拱拱脚处，主拱与三道反向斜撑通过铸钢件直接相连，铸钢件不仅承受主拱传来的轴力、双向剪力、面内外弯矩和扭矩，还承受着三道反斜撑传来的内力，铸钢件是该桥的关键受力点之一。铸钢件为空间三维结构（见图5），在原先的设计中，为了降低铸钢构件的应力，铸钢件设计得较大，在通过对铸钢件的铸造、运输、安装能力调研后，铸钢件过重，过大，施工难以实现。通过反复计算，重新调整铸钢件尺寸，在满足设计的要求下最大限度地减小铸钢件的尺寸，最后的尺寸为：顺桥向长 8.33 m，横桥向 6.10 m，高 3.48 m，重约 250 t。铸钢件为桥梁构件，铸钢件的抗疲劳性能是该工程设计应关注的关键问题。铸钢件的材质与桥梁用结构钢的材质不同，为了保证铸钢件与桥梁用结构钢的焊接性能，需要对铸钢材质做出专业的分析和比选，保证工艺的可行性和焊接质量，铸钢件和桥梁用钢应在铸造厂进行加工，以方便施焊后进行回火和调质处理，使得铸钢件出厂就带有桥梁用钢的要求，现场焊接就好处理了。另外铸钢件的防腐也是该工程不容忽视的问题。将大吨位铸钢件应用于桥梁结构设计当中，也是该桥设计的一个新的特点。

由于安阳桥边跨较小，桥梁在设计荷载作用下，边墩将出现很大的支座负反力，常规的抗拉支座难以现实，需要在边跨设置拉杆来承受支座负反力。拉杆位置的布置是设计需要考虑的问题，经过在设计中反复验算，当拉杆布置与斜撑越近，拉杆所起的作用就越直接，主拱的应力就有所降低，但三道反斜撑的应力就增加很快，有时在强度设计时难以满足规范要求，而且构造上没有足够的空间，不易实现。当拉杆布置得太远，主拱的应力增加较多，用钢量就越大，桥梁的自重就越大，应力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，应力难以下降的循环中。在拉杆的布置中，拉杆横桥向根数的布置也是设计中通过反复验算才确定下来的。

6 安阳桥抗震设计

安阳桥为拱桥，如果采用上部主拱与下部基础为刚接，该桥将成为真正意义上的拱桥，但是在地震作用下，下部基础的反力就会非常之大，即使采用梁拱桥，固定墩的反力会更大，下部基础的设计难以实现。在中承式梁拱桥的基础上采用减隔震体系的设计，即采用双球面减隔震支座和阻尼器同时布置的减隔震体系，减隔震支座降低下部基础反力，而阻尼器又能降低桥梁结构在地震作用下的最大位移，使得下部基础的结构设计和构造处理成为现实。在抗震设计中，采用了主桥和引桥的空间非线性动力时程计算模型，详细分析桥梁结构在两种概率水平的地震输入下的地震反应，并考虑结构的几何非线性、支座边界单元的非线性、结构－基础－土共同作用的影响及主桥与引桥的相互藕联作用的影响。在安阳桥减隔震分析计算中，采用了SAP和MIDAS两种有限元软件，从两种软件计算结果的对比可以看出，计算的反力趋势是一致的，但仍然存在一定的差异，这也是现阶段对软件抗震计算的原理、算法和适用条件的认识不足。

7 安阳桥抗风设计

安阳桥是新型的拱桥结构，该桥抗风的设计也是一项新的内容。现行通用设计规范和抗风规范静风荷载计算中都没有对应的风载阻力系数的类型，而动风荷载验算主要是对于斜拉桥和悬索桥的，并没有对空间网格拱这样的异形桥梁结构，该桥的抗风设计也是该工程设计中一项空白的科研课题。在抗风设计中，不仅要进行基本风速统计分析和桥位风特性参数确定，还有对主梁和主拱做静风三分力系数测试和静风荷载计算，用于研究等效风荷载组合研究和静风稳定性分析。最后要对整桥模型做全桥气弹模型风洞试验来评价桥梁结构的风振稳定性。

8 结语

安阳桥桥梁建筑艺术设计优美，造型独特，桥梁结构复杂，建造工艺难度大。该桥的设计也遇到了许多的难题，比如：软土地基上大跨度拱桥水平力的释放，空间拱桥的整体稳定，主拱和主梁的连接方式、构造处理，主拱和主梁的刚度匹配，主拱的结构设计和构造处理，14条小拱变为大拱箱位置的确定，大吨位铸钢件在桥梁工程中的应用和空间钢网拱结构抗震抗风性能研究。安阳桥不仅是桥梁建筑艺术的创新，也是桥梁结构的创新，也是设计理念的创新。