多跨连拱跨海景观桥关键技术研究

杨帆

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

多跨连拱跨海景观桥关键技术研究

杨帆

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

多跨连拱景观桥景观优美、造价不高、施工技术成熟。对多跨连拱桥的总体布置、计算、施工、耐久性进行了分析和设计。主拱上方会与腹拱形成一个三角框架体系，由此产生的温度力十分大，正常的配筋根本无法满足要求。故需将腹拱与主拱断开,腹拱采用简支方式支撑在主拱上。跨海桥梁设计中，耐久性设计是一个关键点，需采取增大保护层、控制裂缝、表面涂装及添加阻锈剂等综合措施。

多跨连拱；水平力；耐久性；施工顺序

1 概 述

某人工岛项目是某沿海省份的超大型旅游项目，通过人工填海形成若干造型奇特的岛屿，再通过跨海大桥与陆地连接。本工程是人工岛岛间的连接工程，位置重要且景观要求高。由于岛屿四周环形道路标高的限制，跨径不宜过大否则桥头要抬高，本桥跨径定为13 m+20 m+22 m+24 m+24 m+ 22 m+20 m+13 m八跨连拱桥，钢筋混凝土上承式拱桥，见图1。

图1 效果图

拱桥结构简单,承载能力大,在我国公路、铁路上得到广泛使用[1]。其中多跨连拱景观优美、造价不高、施工技术成熟，适用于有景观要求且通航标准不高的区域。

2 总体设计

桥梁跨径除边跨外为20～24 m,矢跨比为1/2.9～1/3.2，边跨的矢跨比增大，有利于减少边墩水平推力。主拱断面高1 040 mm，内设直径600 mm孔洞；腹拱断面高820 mm，内设直径400 mm孔洞，内设孔洞有利于减少拱身自重。下部结构采用墙式墩接承台，基础采用1 500 mm钻孔灌注桩。桥台采用轻型桥台，1 200 mm钻孔灌注桩，梅花型布置。立柱宽3.5 m,承台6.25 m×2 m×19.3 m。

地层自上而下由①素填土、②生物碎屑角砾、③粉质黏土、④粉质黏土、⑤海滩岩、⑥粉质黏土组成。第⑥粉质黏土可塑～硬塑状，工程性能较好，为良好的桩基础持力层。

由于景观及桥头道路的限制，此桥无法设置抗水平推力的重力式桥台，致使其受力体系与一般的多跨连拱桥不同。多跨连拱是超静定结构，温度荷载特别大，一般采用较柔性的桥墩及基础，并需设置单向抗水平推力墩。此工程适当加强每个桥墩及基础刚度，以对抗水平推力。

在初步试算后发现，如果腹拱与主拱刚接在一起，主拱上方会与腹拱形成一个三角框架体系，由此产生的温度力十分大，正常的配筋根本无法满足要求。故需将腹拱与主拱断开，采用简支方式支撑在主拱上，以简化桥梁受力关系。

桥型布置见图2。

减轻桥梁自重是混凝土板拱设计过程中的一个关键考虑因素。主拱及腹拱的截面采用空心截面（见图3、图4）。拱上建筑的填料采用轻质泡沫混凝土，很大程度的减少了桥梁的自重。

3 结构计算模型及验算结果

结构分析需建立总体模型全面考虑[2]。采用MIADS软件建立全桥上下部空间模型。

拱上建筑及桥面系重量按荷载加载到模型里。模型考虑桩土相互作用，桩基按每米长等效为1个弹簧，把弹簧刚度输入到模型中，来模拟实际的桩土相互作用。考虑温度作用、不均匀沉降作用、汽车及人群作用。

图2 桥型布置图(单位：mm)

图3 主拱断面(单位：mm)

图4 腹拱断面(单位：mm)

桥梁施工顺序从桩基、承台、桥墩到上部结构，拱圈从两侧向中间施工，模型按实际施工顺序模拟施工阶段，见图5。

图5 桥梁计算模型

此工程抗震设防类别丁类、抗震措施等级7度，地震等级不高，经抗震计算，抗震不控制结构尺寸及配筋。

3.1 承载能力极限状态验算

（1）正截面极限承载能力验算

按《公路桥涵设计通用规范》进行承载能力极限状态内力的荷载组合，按照空心板的配筋进行截面极限承载力验算，结果如下。

由图6结果可知，基本组合最大弯矩为：19 212 kN·m；抗弯极限承载力为：46 714 kN·m，抗弯承载能力满足要求。

图6 拱肋基本组合弯矩设计值及其对应的抗力（单位：kN·m）

由图7可知，基本组合最大弯矩为：13 546 N·m；抗弯极限承载力为：35 035 kN·m，抗弯承载能力满足要求。

图7 腹拱基本组合弯矩设计值及其对应的抗力（单位：kN·m）

结果表明验算截面的设计弯矩均小于截面极限承载弯矩。结构承载能力满足设计规范要求。

（2）斜截面抗剪承载能力计算

由程序计算得主要控制截面剪力组合设计值Vd（已计入结构重要性系数）及抗剪强度列下表如下。

由图8可知，基本组合最大剪力为：6 377 kN；抗剪弯极限承载力为：20 138 kN，抗剪承载能力满足要求。

图8 拱肋基本组合剪力设计值及其对应的抗力（单位：kN）

由图9可知，基本组合最大剪力为：4 798 kN；抗剪弯极限承载力为：18 247 kN，抗剪承载能力满足要求。

图9 腹拱基本组合剪力设计值及其对应的抗力（单位：kN）

结果表明验算截面的设计剪力均小于截面极限承载剪力。结构承载能力满足设计规范要求。

（3）单向推力验算

此工程桥墩基础都已加强。验算连拱桥局部一孔坍塌时，桥梁的极限承载力也满足要求，不会整体坍塌。

3.2 裂缝验算

裂缝验算见表1、表2。

表1 拱肋主要截面裂缝宽度验算

最大裂缝宽度为0.129 mm，钢筋混凝土构件在III类环境中的裂缝限制宽度为0.15 mm，主要控制截面裂缝宽度满足规范要求。拱的各项指标都能控制在规范允许范围内[3]。

4 耐久性设计

本桥位于海洋环境，炎热地区，按照《混凝土结构耐久性设计规范》环境作用等级属于Ⅲ-F，是氯化物环境中的最高等级[4]。耐久性设计是本工程一个关键性设计要点。

（1）保护层厚度

在海洋环境中的混凝土结构，由于氯盐的存在，混凝土保护层的厚度应比一般的混凝土保护层厚度要大一些。除了要满足桥梁设计规范中确定的最小保护层厚度外，参考类似工程确定本工程的最小保护层：

拱圈：主筋最小保护层厚度70 mm。

墩柱：主筋最小保护层厚度取70 mm。

承台：承台底主筋保护层160 mm,其余主筋最小保护层厚度70 mm。

钻孔灌注桩：主筋最小保护层厚度85 mm。

（2）高性能海工混凝土

高性能海工混凝土与普通混凝土的差别在于通过掺入粉煤灰、高炉矿渣、微硅粉中的一种或多种掺料，来提高混凝土在特定条件下所需要的特定性能，如高弹性模量、低渗透性以及抵抗某些类型破坏的性能。

高性能混凝土从指标上来看，相对普通混凝土，对骨料的最大粒径、最高水灰比等方面均做出了更严格的规定要求。

本工程中：拱肋、侧墙、桥墩采用高性能海工混凝土。

（3）严格控制裂缝宽度

普通混凝土构件：短期效应组合裂缝宽度不大于0.15 mm[5]。

（4）混凝土表面涂层体系

全桥墩柱、拱圈外表面均涂刷防腐涂料。根据《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》（JT/T 695-2007）的要求，本工程大部分墩柱及拱圈大部分位于水位变动区域及浪溅区，混凝土外表面的推荐涂层体系为：90 μm环氧聚硅氧烷漆+300 μm环氧树脂+50 μm潮湿表面容忍性渗透性环氧封闭底漆。腐蚀环境等级为Ⅲ-2型，防腐设计年限为20 a。

（5）混凝土掺阻锈剂

全桥拱肋、墩柱混凝土均掺入阻锈剂。

（6）本工程涉及到的可能与大气或海水直接接触的其他钢构件（泄水槽、支座钢板、螺栓、螺母等），均需要设置表面防腐，采用表面镀锌50 μm防腐处理。

5 桥梁施工

一般跨海、跨河桥梁施工需设置通长栈桥，利用栈桥运输混凝土泵车、钢护筒、钢套箱、墩柱模板、钢筋等工程所需各类设备及材料，运输方式与陆路运输基本相同。通过设置横向马道及桩基施工平台进行海中桥梁桩基的施工，桩基需要下放较长的钢护筒，承台采用钢套箱施工方式，并施做封底混凝土。桥梁墩柱及盖梁均采用海上立模现浇方式。上部结构预制梁通过浮吊吊装施工。

本工程上部结构为现浇结构，需要搭设支架。考虑到本桥跨径不大，可在承台上搭设贝雷梁，贝雷梁上再搭设支架。

多跨连拱的拱圈施工必须有严格的施工顺序，需从桥梁两侧向中跨浇筑，严禁严禁从主拱一端到另一端的单向作业。

一般桥梁合龙温度均为最低温度，因为降温过程产生的拉力不利于桥梁结构。但本桥为桥台无水平推力的多跨连拱，升温过程产生的向外侧的水平推力，对结构产生了较大的不利影响，所以在反复模型试算后，将中跨的合龙温度定位年平均温度20℃左右。

另外，结构自重是混凝土板拱的主要受力来源，控制混凝土浇筑超方，是施工过程中的重要关注点。

6 结 语

城市桥梁的景观要求在城市桥梁建设中的比重越来越重，本文介绍了多跨连拱景观桥设计的关键技术：总体布置、计算、施工、耐久性设计等。通过计算发现，无水平推力的桥台是本工程的结构体系一个关键影响因素，必须重新适当调整下部结构与上部结构的刚度之比来平衡温度力。另外，跨海桥梁设计中，耐久性设计是一个关键点，需采取增大保护层、控制裂缝、表面涂装及添加阻锈剂等综合措施。最后，跨海桥梁施工是工程难点。需设置长栈桥和横向马道，利用钢护筒和钢套箱施工桩基和承台，然后承台之间搭设贝雷梁及支架，现浇上部结构。多跨连拱的拱圈施工必须有严格的施工顺序，需从桥梁两侧向中跨浇筑，合龙温度应根据模型计算确定。

[1]顾安邦.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]王国鼎,钟圣斌.拱桥[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]陈宝春.钢管混凝土拱桥(第二版)[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].

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

U448.22

B

1009-7716（2017）01-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.014

2016-10-28

杨帆（1984-），男，四川成都人，工程师，从事桥梁设计工作。