中等跨径中承式提篮拱桥设计

康凯乐

（上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司，广东佛山 528200）

0 引言

提篮拱桥是拱桥的重要形式之一，由于拱肋内倾，相同条件下其静力稳定性能比平行肋要好，而且它造型美观，常被用来作为城市的标志性建筑[1]。原哈尔滨建筑工程大学钟善桐教授曾撰文指出提篮拱桥跨度可达600 m左右，随着城市的发展，对桥梁景观要求日益提高，提篮拱极具景观效果的立面造型也用在了主跨70 m左右的中等跨径桥梁上。

本文以广东肇庆砚阳桥为工程实例，结合提篮拱的受力特点，介绍中等跨径提篮拱桥的设计过程，通过数值分析对结构受力及稳定性进行全面分析。

1 工程概况

砚阳桥位于广东肇庆政文组团砚阳路，南临砚阳湖，是组团的核心景观区域，需要满足桥梁景观和南侧行人对观景的需求，桥梁风格定位强现代感，主桥采用提篮式飞燕拱桥桥形。

桥梁全长343 m，主桥采用16.5 m+70 m+16.5 m的中承式提篮拱桥方案。车行道按双向六车道布置，两侧各设非机动车道和人行道，全宽33.1 m。桥面开阔通畅，桥梁气势恢宏，桥型新颖美观。

2 景观设计

桥梁不是单独的城市构造物，是城市建筑的一个组成部分，桥梁、河流以及其它的建筑物共同构成了一个完整的城市形象。它们之间相互协调、统一，形成一个完美的城市景观。

桥梁的结构体系、体量与形态要与环境协调统一，造型不安全、结构上没有稳定感以及违反力学原理的也不是美的桥梁。现代的桥梁设计发展趋势是不再为了景观而做景观，避免多余的且结构不需要的繁复变化。针对桥梁的规模及形象，选择与之相适应的色彩，可以更好的展示其功能美和形态美。

本方案主题为“砚阳新绿”，“绿”不但代表了以砚阳湖为核心的自然绿色景观，也代表了肇庆新区的绿色交通理念。桥梁整体造型采用了叶片的形态进行仿生设计，极具现代感。功能上，车行桥和人行桥分建倡导了绿色交通的概念，使行人步行充满趣味性。景观上，桥梁的空间变化独特，提供了丰富的观景视角。桥梁整体涂装色彩为白色系与灰色系组合，白色与灰色经久耐看，既能与城市建筑色彩相融合，又能在桥梁周边的自然景观中凸显出来，景观效果相得益彰。

图1 砚阳桥效果图

3 结构设计

该桥两片主拱采用提篮式矩形钢箱结构，拱肋横向倾角25°，主拱竖向高度21.875 m，矢跨比为1/3.2。副拱由拱脚向两侧上挑，与主梁固结。梁端张拉水平系杆以平衡拱脚推力。系梁为钢箱梁，横梁为工字钢梁，系梁与横梁之间采用高强螺栓连接。车行道采用混凝土桥面板，混凝土桥面板和钢梁之间通过焊钉连接形成叠合梁结构。无障碍人行天桥采用钢挑臂悬挂于系梁外侧，具有极佳的景观和亲水效果。吊杆采用平行钢丝吊索，呈扇形状布置，使桥梁富有张力和美感。

3.1 主拱设计

该桥主拱圈拱轴线为异形抛物线，主跨为70 m，拱高21.875 m，矢跨比为1/3.2。两侧副拱采用1.8次抛物线。拱肋采用2片提篮式箱形断面拱肋，拱肋横向倾角25°，腹板斜率不变，拱顶横撑采用箱型结构。拱肋采用变高度矩形截面钢箱拱，高1.6～3.0 m，宽1.6 m。桥面以上拱腹板厚20 mm，顶、底板厚25 mm；桥面以下拱腹板厚40 mm，顶、底板厚40 mm。为了保证腹板、顶底板的局部稳定，主拱肋设纵向加劲肋。纵向加劲肋采用钢板加劲，间距500 mm左右，高度200 mm，被加劲板板厚为25 mm以下时，加劲肋板厚16 mm，被加劲板板厚大于25 m时，加劲肋板厚20 mm。采用钢材的型号为Q345q-D。

考虑受力和景观要求，主拱肋向内倾斜，形成提篮式拱。此桥桥面较宽且主跨不大，若拱高过大会形成陡拱，景观效果较差。拱肋倾角大小影响体系刚度、拱肋与主梁的内力分配、拱肋变形等一系列主桥受力性能，必须对不同倾角的拱肋进行分析研究，以在安全的前提下确定一个较为经济、美观的方案。 拱肋内倾角对结构的稳定性影响较大，可以明显改变拱桥的失稳模态。随着内倾角的加大，结构的1阶稳定性增加，但拱肋和主梁应力均随倾角的增加而加大。

综合考虑结构受力、稳定、美观等因素，推荐采用拱肋倾角25°的方案。

3.2 吊杆设计

吊杆间距对拱桥的视觉效果影响很大。影响吊杆间距的因素主要有主梁的布置、重量和施工方法等。梁上吊杆间距5 m和梁上吊杆间距6 m的立面效果见图2、图3。

图2 梁上吊杆5 m间距立面布置图

图3 梁上吊杆6 m间距立面布置图

该桥主梁推荐采用叠合梁，因桥宽较宽，自重大，所以吊杆间距不宜过大。本桥主跨较小，若采用较大索距，索数量较少，则没有拱桥应有的景观效果。经综合考虑，本桥吊杆间距推荐采用5 m，预制桥面板跨径采用2.5 m，两吊点中间设横梁，间距2.5 m。

吊杆选用平行钢丝吊杆，由若干根φ7 mm的高强度、低松弛镀锌钢丝并拢经大节距扭绞而成，抗拉强度为1 670 MPa。锚具采用冷铸墩头锚，以φ1 mm～2 mm的淬硬钢球、环氧树脂及其它辅料的混合物作为锚固材料，拉索总成全部在工厂制作完成，工厂化程度高。

3.3 钢拱脚设计

拱脚是拱桥的关键受力节点，该桥拱肋为全钢结构，钢制拱脚插入混凝土拱座内，与混凝土构件共同受力（即钢混结合构件）。为使钢混结构共同受力，拱脚箱室隔板均开孔，箱室内灌注混凝土，拱脚插入拱座的腹板、隔板开孔，孔内穿钢筋，形成PBL剪力键。拱座内主钢筋均与拱脚钢板焊接，使主钢筋能够很好传力，增加整体性。最后浇筑拱座和拱脚内的混凝土，是拱脚与拱座连为一体。

3.4 主墩设计

主墩承台上设拱座，用于支承主拱及副拱，采用C40钢筋混凝土。拱座承压面须与拱轴线形成的面正交，两侧扩大以扩散压力。主墩承台厚3.0 m，基础采用群桩基础，承台平面尺寸为10.0 m×7.1 m，桩基采用直径为1.6 m的钻孔灌注桩。为平衡提篮拱在拱脚产生的横向水平推力，两承台间设系梁，通过张拉系梁的预应力平衡拱脚推力；为方便施工，平衡系梁自重，对系梁下面的土层采用CFG桩的地基处理。

4 结构分析

由于提篮拱桥的空间效应明显，空间各方向超静定约束较多，结构计算不能单纯通过平面杆系程序进行简化计算，应通过空间有限元程序进行全桥的三维有限元分析。采用空间有限元软件midas建立空间模型进行结构静力计算，计算模型如图4所示：

图4 空间有限元计算模型图

边界条件设置如下，主拱与副拱固结于拱脚，副拱与边跨主梁在梁端固结支承于边墩上，边跨主梁另一侧梁端和中跨主梁梁端支承于主拱牛腿上。

4.1 静力分析

计算工况参照桥梁施工顺序，选取5个施工阶段和一个运营阶段：

（1）工厂预制钢拱肋吊装；

（2）拆除支架；

（3）吊杆初张拉；

（4）施工桥面系及考虑活载；

（5）调索；

（6）运营阶段。

计算参数和组合均按规范要求取值和选用[2-3]。主要计算结果见表1。

表1 短期效应组合下单元截面应力列表（单元：MPa）

拱桥模型挠跨比为1/4 290，满足规范要求。

计算结果表明，全桥截面强度、应力验算和变形验算均满足规范要求。

4.2 稳定分析

该桥利用拱肋侧向倾斜形成提篮形状，空间效应明显，稳定性题是该桥型方案成功与否的关键。图5为恒载和活载作用下拱的屈曲模态。

图5 恒载+活载作用下拱的屈曲

在恒载和活载作用下，1阶屈曲模态形式为反对称扭转，临界荷载系数为44。稳定系数结果均大于4，满足规范要求。

5 结语

砚阳桥设计是拱梁组合体系在提篮拱上的运用和创新。该桥结构新颖、受力复杂，在国内同类型桥梁中属于较先进的结构体系。通过结构计算与经验借鉴，并在设计中深入分析和优化，使该桥上下部结构合理，外形美观、独特，符合安全、经济和美观的原则。

[1]吴冲.现代钢桥（上册）[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]JTJ025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[3]TB10002.2-2005,铁路桥梁钢结构设计规范[S].