多跨拱梁组合桥设计研究

李钊

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市 2 00235）

多跨拱梁组合桥设计研究

李钊

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市 2 00235）

介绍了一座跨海大桥的设计过程,该桥是一座连接人工海岛与陆地的跨海车行桥，桥梁结构采用了五跨连拱的拱梁组合体系，桥梁结构复杂，拱肋高低起伏，造型优美。

拱梁组合体系；提篮拱；锚固架；颤振失稳；涡激振动

1 工程概况

1.1 项目背景

该景观桥位于海南省某海湾内,是一座连接人工岛与陆地的车行桥。人工岛由三个岛串联组成,其中一号岛（381 hm2）规划为综合服务区，主要有风情酒店、商务会议、健康运动、温泉、饮食、酒吧等旅游配套服务；二号岛（248 hm2）、三号岛（154 hm2）规划为配套旅游地产。根据人工岛整体规划及城市建设计划，人工岛有三条进岛通道，其中一号岛通道为主要通道，包括：跨海段车行桥、人行桥、接线引桥、接线匝道等部分。本桥为一号岛通道的跨海段车行桥部分。

该景观桥是人工岛连接陆地侧滨海大道的一条主要通道，其中跨海段长度约为500 m，桥梁入岛后通过主线引桥和上下桥匝道与岛上的交通枢纽相联系。桥梁方案前后经过多轮招标和修改，最终确定跨海段主桥方案为-五跨连拱的拱梁组合体系桥，见图1。

图1 桥梁效果图

1.2 技术标准

（1）道路等级：城市次干路；

（2）设计车速：40 km/h；

（3）设计荷载：城-B级[1]；

（4）设计净空：机动车道4.5 m；

（5）设计基准期：100 a；

设计安全等级：一级，γ0=1.1[2]；

（6）桥面铺装：8 cm混凝土+10 cm沥青；

（7）常水位标高：1.50 m；河床底：-3.0 m；

（8）通航净空：6.5 m；通航净宽：30 m；

（9）桥梁纵坡：最大3.0%，最小0.3%；

（10）桥梁横坡：2%；

（11）环境类别：Ⅲ类（海水环境）[2]；

（12）基本风速：40.4 m/s（百年一遇）；

（13）设计断面：1 m（索区）+1.75 m（检修道）+15 m（车行道）+1.75 m（检修道）+1 m（索区）=20.5 m；

（14）抗震等级：地震动峰值加速度为0.1g（基本烈度7度）。

2 总体布置

2.1 总体设计

本桥采用了“索辅梁”的设计概念，结构受力主体为预应力混凝土连续梁，拱肋作为辅助受力结构和装饰性构件，仅承担部分恒载和活载。设计中,吊杆承担约18%恒载，20%活载。

预应力混凝土连续梁为3联，跨径布置为4× 40 m+（60 m+80 m+60 m）+4×40 m=520 m。其中60 m+80 m+60 m主桥为变高度预应力混凝土连续梁，4×40 m引桥为等高度预应力连续梁,桥梁为双向四车道。

桥拱采用五跨连拱结构，跨径布置为82 m+ 80 m+200m+80 m+83 m=525 m，每跨由两片拱肋组成。主拱、边拱均采用提篮拱的结构形式，拱肋由拱脚至拱顶向内侧倾斜，拱轴线与水平面夹角呈78.1°，拱脚中心线横桥向水平距离31.0 m，见图2。

图2 桥梁总体布置图（单位：m）

梁和拱的基础均采用承台+钻孔灌注桩的形式，梁、拱基础分离设置。引桥桥墩和主桥边墩桩径为1.5 m；拱肋主拱基础桩径为2.0 m，其余为1.5 m。桥台采用重力式桥台，桥台承台厚1.5 m，桩径为1.0 m。

桥墩采用单柱空心开花墩，墩底横桥向宽3.2 m，墩顶展开至 7.4 m，以便于上部结构支座的布置。

本桥拱脚采用了反力锚固架的形式，锚固架利用螺栓与承压钢板和承台混凝土结合，传递拱脚上部荷载。考虑到拱肋锚固架的布置拱脚承台设置了二承台。

2.2 施工过程

（1）新建临时土围堰，排除围堰内海水，清淤，整平；施工车行桥和拱肋基础；钢拱肋工厂预制，定位拱脚反力架；

（2）搭设支架，预压，现浇混凝土箱梁；拆除支架，搭设少支架，进行拱肋安装；

（3）拆除少支架，桥面系施工；灌注拱脚压重混凝土，张拉吊杆；

（4）箱梁、拱肋涂装，拆除临时土围堰；施工桥下亲水平台、填岛；竣工通车。

3 梁的设计

3.1 4×40 m预应力混凝土车行桥

引桥跨中和支点断面见图3、图4。

引桥为4×40 m跨预应力混凝土连续梁，结构纵、横向均按部分预应力A类构件设计，桥面板按钢筋混凝土构件设计。梁中心高2.3 m，宽20.5 m，桥梁采用单箱五室箱形断面，顶板设置2%双向横坡，底板水平。标准段顶、底板厚250 mm，腹板厚450 mm，支点处底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。箱梁端横梁宽1.5 m，中横梁宽2.5 m。

图3 引桥跨中断面（单位：cm）

图4 引桥支点断面（单位：cm）

每联引桥设置8对吊杆，吊杆间距8 m，吊杆位置处设置250 mm厚横隔板。结构计算时，隔板仅作为集中力考虑，不考虑其刚度。

3.2 60 m+80 m+60 m预应力混凝土车行桥

主桥为60 m+80 m+60 m三跨变高预应力混凝土连续箱梁结构，结构纵、横向均按部分预应力A类构件设计，桥面板按钢筋混凝土构件设计。梁中支点梁高4.8 m，边支点及跨中梁高2.3 m，梁底按照二次抛物线过渡，桥宽20.5 m。标准横断面顶底板厚250 mm，腹板厚450 mm；支点处底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。顶板设置双向2%横坡，底板水平。箱梁端横梁宽1.5 m，中横梁宽2.8 m，见图5。

图5 主桥立面图（单位：cm）

主桥共设置18对吊杆，吊杆间距8m，吊杆位置处设置250 mm厚横隔板。

箱梁总长200 m，考虑到腹板束过长，预应力损失过大，钢束易拉断，在中跨跨中设置2 m后浇段，腹板束在后浇段端面锚固。为便于腹板束张拉，在中跨跨中处设置一段8.5 m长腹板加厚段，腹板由450 mm加厚至1 050 mm。

4 拱的设计

4.1 拱肋构造

（1）200 m主拱

主拱跨径200 m，拱平面内矢高62.859 m，线形为抛物线。拱肋板厚为16～24 mm。拱顶截面为2.5 m×2.5 m，拱底截面为3.0 m×6.3 m，截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。吊杆间距8 m，拱肋中在吊杆对应位置设置竖向隔板，其他位置隔板按一定间距布置。拱脚10 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土，见图6。

图6 主拱肋拱顶断面、隔板断面、风撑断面(单位：mm)

（2）82 m（83 m）边拱

82 m（83 m）边拱为不对称结构，拱平面内矢高26.574 m，线形为抛物线，一侧拱脚与80 m边拱拱脚相接，另一侧与陆地相接。拱顶截面为2.0 m× 2.0 m，拱底截面为3.0 m×5.7 m，截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。拱肋板厚为16～20 mm。吊杆间距8 m，拱肋中在吊杆对应位置设置竖向隔板，其他位置隔板按一定间距布置。靠岸一侧拱脚5.2 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土，另一侧填充8.2 m。

（3）80 m边拱

80 m边拱为对称结构，拱平面内矢高29.641 m，线形为抛物线，一侧与79 m边拱拱脚相接，另一侧与200 m主拱拱脚相接。拱顶截面为2.0 m× 2.0 m，拱底截面为3.0 m×6.2 m。截面高度沿拱轴线呈二次抛物线变化。拱肋板厚为16～20 mm。吊杆间距8 m，拱肋内在吊杆对应位置设置竖向隔板，其他位置隔板按一定间距布置。在拱脚12.4 m范围内填充C30微膨胀压重混凝土。

拱肋采用带圆倒角的八角形的钢箱断面，在截面角点处以5 mm厚的钢板做圆弧过渡，圆弧半径为300 mm。该断面线条柔和，避免了多边形截面棱边带来的突兀感，与人工岛的整体景观相协调；截面风阻系数较小，可改善结构在横桥向风荷载作用下的力学性能。

4.2 拱脚设计

鉴于传统的钢混结合段拱脚构造复杂，钢筋冲突严重，定位困难，钢混结合面容易出现应力集中等现象，本桥拱脚采用刚性柱脚锚固架的设计，利用螺栓和承压钢板与承台混凝土结合，传递拱上荷载。拱壁钢板进入承台顶面0.8 m处截断，设置上下承压板，将拱壁直接焊接在承压板上，并在上下承压板间设置与拱壁对应的加劲板与肋板，形成拱脚处刚性区域。在承台以下设置型钢锚固架，作为锚杆锚固结构；上下承压板设置螺栓孔，螺杆从螺栓孔穿过锚固在上承压板上顶面，见图7。

4.3 吊杆的设计

图7 拱脚三维图

吊杆间距8 m，边拱各设6对吊杆，主拱设18对吊杆，全桥共计42对吊杆，吊杆长26.46～201.91 m。拱脚与承台均为固结。

吊杆索体采用环氧涂层钢丝双层HDPE的PES.E(FD)5-37低应力防腐索体，钢丝强度1670 MPa，钢丝性能满足GB/T25835-2010《缆索用环氧涂层钢丝》的要求，吊杆两端采用冷铸锚。吊杆的安全系数K=3，即设计索力不大于破断力的0.333倍。

吊杆配套锚具为：拱端为LZM5-37叉耳式固定端锚具，梁端为LZM5-37调节端锚具。

5 耐久性设计

桥梁位于海水环境内，设计环境类别为Ⅲ类，且桥梁钢构件较多，耐久性设计需专门设计。主要采取的耐久性措施有：

5.1 混凝土构件

混凝土主要采用：控制混凝土的浇筑质量；控制混凝土的保护层厚度；添加适量的混凝土外加剂；混凝土箱梁外表面采用表面涂层保护。

5.2 预应力构件

预应力筋采用材料表面处理、预应力套管、套管填充、混凝土保护层和构造措施等措施保证。预应力锚固端，采用无收缩高性能混凝土封锚，并对新老混凝土连接面进行防水处理。采取构造措施，防止水直接作用锚固封堵端的外表面。

5.3 钢构件

钢结构设计中主要采用涂装体系对钢结构进行防腐。钢拱肋外表面和预埋件外表面（防腐年限15 a）：无机富锌底漆1道75 μm；环氧封闭漆1道25 μm；环氧（云铁）漆2道150 μm；丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆/氟碳树脂漆1道40 μm；氟碳面漆1道40 μm，合计330 μm。钢拱肋内表面（防腐年限25 a）可少一层面漆。

5.4 浪溅区桥墩防腐

浪溅区桥墩的腐蚀等级为Ⅲ-F，防腐要求高，主要采取的防腐措施有：墩身采用海工混凝土；混凝土中掺入阻锈剂；墩身受力主筋采用环氧涂层钢筋。

5.5 吊杆防腐蚀

吊杆索体采用环氧涂层钢丝双层HDPE的PES.E(FD)5-37低应力防腐索体。拉索锚具为冷铸锚，外露表面须在施工完成后立即做二次防腐，防腐要求与拱肋钢箱梁外表面防腐要求相同。使用中定期检查吊杆拉索及锚头的腐蚀情况，吊杆的使用年限为15 a。

6 抗风研究

6.1 研究目的

1940年美国塔科马悬索桥风毁事故之后，桥梁的风致响应问题越来越受到重视。大跨度桥梁风致响应问题主要有：颤振失稳、静力发散、随机抖振、涡激振动和驰振失稳。

本桥中的大跨度钢箱拱结构，由于自身刚度小、自振频率低、阻尼小等原因，不可避免地会发生抖振效应。抖振除会使人感到不适影响行车安全外，还会引起结构的局部疲劳损伤，严重的会导致结构破坏。因此，专题立项对跨海大桥进行风致抖振分析和涡振响应分析。

6.2 研究结论

通过研究分析主要结论如下：

（1）通过特征值分析，拱肋动力特性参数见表1。

表1 拱肋动力特性值

（2）拱肋抖振响应分析结果见表2、表3。

表2 拱肋抖振分析最大位移

表3 拱肋抖振分析最大应力幅

风致抖振位移较小；吊杆桥面位置抖振产生转角较小；拱肋最大应力幅在允许范围内，风致抖振响应不控制设计。

（3）吊杆风致抖振响应：三跨拱吊杆的最大应力幅均发生在最短吊杆处，数值分别为47.9 MPa、137.3 MPa和207 MPa，应力幅较大，应适当减小短吊杆的截面刚度。

（4）涡振响应分析：涡振风速区域内，气动力的数值相对较小，难以激起主拱结构较大的振幅。涡振响应不控制桥梁设计。

7 结语

2015年10月本桥已进入施工阶段，桥梁建成后，将会改善海岛与大陆的交通联系，也会为海湾增添一道亮丽的风景。该桥建造环境为海洋环境，台风多发区，建设条件恶劣，桥梁结构复杂，拱肋高低起伏，造型优美，具有较大的设计难度，本桥的设计经验和科研结论具有一定参考价值。

[1]CJJ 11-2011,城市桥梁设计规范[S].

[2]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

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

[4]JTG D64-2015,公路钢结构桥梁设计规范[S].

U448.21+6

B

1009-7716（2017）01-0047-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.013

2016-10-27

李钊(1983-),男,湖北孝感人,工程师,从事桥梁设计工作。