广州从化大桥工程主桥空间拱梁组合桥结构设计及关键技术

宁平华，郭钰瑜

（广州市市政工程设计研究总院，广东　广州　510060）

广州从化大桥工程主桥空间拱梁组合桥结构设计及关键技术

宁平华，郭钰瑜

（广州市市政工程设计研究总院，广东广州510060）

广州从化大桥为广州市从化区跨流溪河的一座大型城市桥梁，其主桥为单跨下承式空间拱梁组合体系桥，跨径为136 m，桥宽40 m，拱圈为3根钢管通过横撑、斜撑组合而成倒三角形桁梁组合拱，造型独特，结构设计新颖，且为国内首例大桥与地铁共线的工程，技术含量高。介绍该桥的结构设计及关键技术。

下承式；空间异形组合拱；拱梁组合体系；地铁

1　工程背景

从化大桥工程位于广州市从化区街口街，道路等级为城市主干路，连接城区河东片区和城北新区，跨越流溪河。从化大桥的建设，将使得上述片区之间的交通联系更加便捷，它的建成能够进一步完善城市路网结构，有效改善城市南北交通不畅的现状，缓解城市交通中心拥挤的状况，对加强新老城区的联系，促进结合处的景观、交通、用地等建设有着十分重要的意义。从化大桥为从化大道上跨流溪河的关键节点工程，为城市主干路，设计时速60 km/h，主桥双向6车道。桥位处江面宽约200 m，从化大桥位于街口大桥和迎宾大桥之间，距两座桥均为2.2 km。其地理位置如图1所示。

图1　项目地理位置图

2　方案构思

该工程处于从化市中部，南北向横跨流溪河，是连接从化城北新区和南部的河东综合区及研发产业区的重要通道。东北新区与南部经济发展片区（包括河东综合和研发产业区）隔河相望，是从化市远期发展的两大区域。因此从化大桥必须充分考虑结构物的景观效果，桥梁结构必须新颖、美观，既体现文化底蕴，又具有时代的特征，建成后成为当地的标志性建筑。

目前，从化市主城区内跨越流溪河的桥梁仅有南边的街口大桥、流溪大桥和北部的迎宾大桥。现状桥型以平梁桥为主，景观效果一般，不能成为城市的独特景观。因此，拟建的从化大桥将是一座重要桥梁，如何体现良好的景观效果，体现现代城市风貌，成为新的城市地标，是本次桥型方案设计的重点。

根据该项目设计的特点以及业主的要求，针对梁桥、斜拉桥及拱桥这三种桥型做了详细的方案设计，共提交了十多个桥型方案供比选，各方案情况见表1。

从化大桥跨越流溪河，桥梁所处河道较窄，河面宽约200 m，堤岸两侧为住宅区，且北岸现有数栋百米高的住宅建筑。若建造具有高耸伟岸桥塔的斜拉桥和悬索桥，势必会显得空间密度太大，与周围的建筑和自然景观产生不协调的效果。拱桥作为一种古老的桥型，它的美在于柔美的拱曲线与直线形的梁柱、杆结合，呈现出刚柔并济、韵律优美的绰约风姿。拱桥为桥梁基本体系之一，形式多样，造型优美，一直是大跨径桥梁的主要形式。本次桥型方案设计中经过多轮比选和投票，最终确定采用下承式空间拱梁组合体系桥，即表1中方案十四（见图2）。

表1　各桥型方案一览表

图2　桥型日景图

3　结构设计

3.1桥跨布置

从化大桥主桥为单跨下承式空间拱梁组合桥，跨径为136 m。主梁为预应力混凝土箱梁，拱肋由三根钢管通过横撑、斜撑组合而成倒三角形。该桥型造型独特，拱肋结构新颖美观，犹如一轮新月升起在流溪河畔。主梁两端部设计为下牛腿，作为引桥边跨的支承端。图3为桥型平立面布置图［1］。

3.2横断面布置

主桥横断面全宽40 m，梁高3.5 m，为鱼腹式断面，如图4所示［1］。

图3　桥型平立面布置图（单位：m）

3.3拱肋布置

拱肋由3根钢管通过横撑、斜撑组合而成倒三角形，造型独特，拱肋结构新颖美观，呈现“新月临江”的建筑美学创意。三根钢管线型均为二次抛物线，一根外径1.8 m的主拱位于竖直平面内，主拱拱肋中心线理论跨径136 m，理论矢高f=26.2 m，矢跨比为1/5.2；两根外径1.5 m的副拱由竖直平面向两侧旋转16.8°而成，副拱拱肋中心线理论跨径136 m，理论矢高f=31.7 m，理论矢跨比f/L=1/4.1。主拱肋和副拱肋均分7个节段进行吊装，拱内灌注C50微膨胀混凝土。

图4　桥型横断面图（单位：m）

3.4吊杆布置

主拱共设19根吊杆，副拱共设13对吊杆，吊杆索体采用PES（FD）系列新型低应力防腐拉索。主拱吊杆索体规格为PES（FD）7-187，副拱吊杆索体规格为PES（FD）7-73，拉索的标准强度fpk=1 670 M Pa。吊杆顺桥向间距6 m，分别锚固在拱肋和主梁内，主梁处为张拉端，拱肋处为固定端。

3.5桥墩与基础

为配合拱肋造型，主墩采用弧形板式墩，断面为箱形结构，截面尺寸为：18 m（横向）×3 m（纵向）。主墩下设8根2.5 m嵌岩桩，桩基础与桥墩之间通过承台连接。

4　关键技术

4.1空间异形拱结构和构造

拱圈为通过横撑、斜撑和三根钢管组成的组合式异形拱圈。异形拱圈为自平衡体系，施工加载与后期运营活载产生的对钢管拱的水平推力与系杆张拉力平衡。为了增加拱肋的刚度，拱肋内部灌满C50微膨胀混凝土。

4.2拱梁结合的连接构造

由于受结构构造的影响，拱脚部位是拱的推力、梁的内力和支座的支承反力交汇处，不同方向作用力的影响使得其受力极其复杂。同时拱脚作为结构构件的关键部位之一，它不仅要保证主拱、纵梁和端横梁之间的相互作用，还要保证上部结构的荷载能够安全可靠地传递到支座上。拱脚处的局部受力对整个结构的承载能力和跨越能力以及结构是否能正常使用起着决定性的作用。三根拱肋在拱座汇聚到一点，拱座受力特别复杂，设计采用外包钢板的方式与混凝土箱梁相连。为确保拱肋、外包钢板和混凝土结合良好，拱肋内外侧和外包钢板内侧均设置剪力钉。拱肋预埋段内主拱与副拱通过几道厚20 m m的钢板组合成为一个整体。

4.3与地铁合建基础结构设计

由于地铁14号线穿越流溪河段分左右双线，其中左线隧道在从化大桥西侧通过，右线隧道中心线与从化大桥中心线重合，大桥桩基布置受限于地铁隧道线位，且两个项目工期重叠，两者施工相互影响，形成复杂的施工工况，影响到桥梁和地铁的安全，如图5所示［1］。

图5　主桥基础结构图

按照从化大桥及地铁14号线的工期安排，该范围施工顺序为：桥梁桩基、承台施工→地铁盾构隧道施工→桥梁墩身及上部结构施工。

考虑到地铁盾构施工影响的不确定性，本设计对方案作出以下调整：

（1）由最初的三跨下承式连续梁拱桥调整为单跨下承式拱桥，以降低不均匀沉降对大桥结构的影响；

（2）调整桩基布置，加大基础承台的跨径和厚度，桥梁桩基与隧道最小水平间距以不小于2 m进行控制（见图5）；

（3）地铁施工、运营与邻近桥梁桩基之间的相互作用是一个复杂的土与结构的动态相互作用问题，为确保地铁施工和运营期间桥梁与地铁的结构安全，需对施工期和运营期两阶段进行监测。根据监测数据进行信息化管理，分析监测数据，及时对施工方案进行调整，优化设计。最终通过数据的收集和整理，为以后类似工程的设计、施工提供参考和经验［2］。

4.4拱梁索内力平衡法设计原理

拱桥由于其荷载是由主梁、拱肋和吊杆分担的，合理地确定各构件分担的比例十分重要。因此拱桥的设计首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线形和内力状态，其中起主要调整作用的就是吊杆的张拉力。本案采用内力平衡法确定吊杆的张拉力。其基本原理：设计适当或合理的吊杆初张力，以使结构各控制截面在恒载和活载共同作用下，主梁上翼缘的最大应力和材料允许应力之比等于或接近下翼缘的最大应力和材料允许应力之比［3］。

5　结语

广州从化大桥的桥型经历多方案比选，结合具体建设条件及各方意见，最终优先出主跨136 m空间拱梁组合体系桥。本文提出的结构设计构造和方法，以及创新型关键技术，为同类型桥梁设计提供参考价值。广州从化大桥的建成将成为从化区一道亮丽的风景线。

［1］广州市市政工程设计研究总院.从化大桥工程施工图设计［Z］.广州：广州市市政工程设计研究总院，2015.

［2］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.

［3］陈坚柔.赣州章江大桥异形钢管拱施工与监控技术［Z］.九江：中铁大桥局集团第五工程有限公司，2013.

U442.5

B

1009-7716（2016）09-0043-03

2016-06-28

宁华平（1963-），男，湖南人，总工程师，教授级高级工程师，从事桥梁、道路及交通工程设计研究工作。