30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱桥设计

曹海顺

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200437）

30 m+130 m+30 m中承式混合拱肋拱桥设计

曹海顺

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司,上海市 200437）

山东省寿光市金光街弥河大桥主桥为30 m+130 m+30 m混合拱肋飞燕式拱桥,是三跨连续钢箱梁与中承式拱的组合体系,三角区设装饰桁架,平面设环状人行桥,造型独特。主桥采用平行双肋,主拱为悬链线钢混混合拱肋,边拱为斜直线混凝土拱肋,截面均为六边形箱,拱肋间在桥面以上不设横撑。主梁为单箱多室钢箱梁,吊索区标准节段长7.5 m。吊杆采用环氧喷涂钢丝拉索。沿拱肋纵向布设钢绞线水平拉索。主墩承台上设拱座和立柱,边墩为柱式,基础采用钻孔灌注桩群桩。采用MIDAS Civil软件进行静力、动力及稳定分析可知,结构的强度、刚度和稳定性均满足规范要求。梁拱均采用支架施工。

中承式拱桥；混合拱肋；组合体系；桥梁设计；分析

1 工程概况

金光街跨弥河大桥位于山东省寿光市,是沟通东城新区和中心城区的重要节点桥梁；桥位处于弥河生态园区内,东岸规划为农业生态园,西岸为皮划艇俱乐部。大桥的建设具有极为重要的交通和景观功能。

弥河是寿光境内最大的河流,现状为季节性河流,大部分时间干涸。桥位附近地形平坦,属冲击平原区。地层除表层填土外,其下为第四纪冲积成因土层。在勘察深度范围内,地层由素填土、粘土、粉土、粉砂、中粗砂层等组成。

大桥由主桥、引桥及人行桥组成,主桥为30 m+ 130 m+30 m中承式混合拱肋拱桥（飞燕拱）,桥面以上不设横撑,主墩三角区设置钢结构装饰桁架；引桥采用预应力混凝土等高连续梁；人行桥是本桥在景观上的一个亮点,为空间曲线线型和大挑臂构造,在主跨范围内其与主桥钢箱梁结合成一体,平面为椭圆形环道,两侧边跨为独立体系。主桥总体及横断面布置见图1、图2。

2 主要技术标准

（1）道路等级:城市主干路,设计车速60 km／h。

（2）设计荷载[1]:汽车荷载城—A级；人群及非机动车道荷载取用2.5 kPa。

（3）航道标准:不通航；但需满足皮划艇比赛要求,河道中心54 m范围内为皮划艇赛道,两侧各设20 m安全距离,净空要求为常水位以上3 m。

（4）抗震设防标准:地震动峰值加速度0.15 g（基本烈度7度）,抗震设防类别丙类,抗震设防措施8度,抗震设计方法A类。

（5）桥面坡度:竖曲线在主桥范围内以桥梁中心线东西侧对称,最大纵坡1.65%,设R=4 000 m竖曲线；车行道横坡采用±2.0%,人行道及非机动车道采用反向1.5%。

（6）标准横断面宽度32.5 m（不含两侧吊索区）:4.0 m（人、非混行道）+0.5 m（护栏）+11.5 m（机动车道）+0.5 m（中分带）+11.5 m（机动车道）+ 0.5 m（护栏）+4.0 m（人、非混行道）。

3 结构体系构思

中承式拱桥在我国已经建成多座,分有推力拱和无推力拱（飞燕式）,拱肋以钢管混凝土和钢箱为多。中承式拱桥一般在桥面系与拱肋的相交处设有固定横梁,两端的桥面板通过支座搁置在固定横梁上,拱肋与桥面的相交处设置一道伸缩缝。

中承式拱桥的体系构思,比较独特的有重庆菜园坝长江大桥[1]。外形与常规中承式拱桥类似,实际主体结构由3个子结构组成（一对Y型墩刚构和一座钢箱提篮拱）。子结构通过系杆连接成主跨420 m中承式刚构、钢箱系杆拱组合体系,主梁为5跨连续钢桁梁,仅在主、引桥相接处设置纵向伸缩缝。

图1 主桥总体布置图（单位:mm）

图2 主桥主跨跨中横断面图（单位:mm）

受其启发,弥河大桥在体系构思时采用了30 m+130 m+30 m三跨连续钢箱梁、中承式拱组合体系。

在桥型方案设计时,从景观考虑主跨桥面以上不设横撑（为敞口拱）、两榀拱肋设置在人行道外侧,为提高主桥的整体稳定性能、减轻自重以控制吊点横梁梁高,主梁采用钢箱梁。主跨吊杆横向间距大于32.5 m,主梁梁高由横向控制,取用2.2 m,一般而言主梁纵向可允许约45 m的跨度,因此设计上取消了边跨的拱上立柱,将主梁搁置在边拱肋间的横梁上；由于人行桥在拱梁相交处下穿,而主桥标高受道路纵坡限制,拱肋间无法设置强大的横梁以搁置主梁,在主墩承台上设立柱以支承主梁；主跨的跨中区域主梁由吊杆支撑,荷载由吊杆传递给主拱,形成拱梁组合体系。

弥河大桥由于交通组织要求引桥与两岸大堤平交,为减小引桥段桥梁纵坡需控制桥面标高,主桥边跨桥面距水面高度较小,考虑景观要求、减小拱肋阻水面积,边跨飞燕不宜做长,跨径采用30 m,拱段采用斜直线。为简化结构受力及构造设计,主墩三角区的上弦杆及竖杆设计为装饰结构。

4 主桥主要结构设计

4.1 主跨拱肋

采用中承式双肋无铰平行拱,计算跨径130 m,矢高35 m,矢跨比1/3.714。为减小主拱的拱脚负弯矩,其拱轴线采用悬链线,拱轴系数取1.756。拱轴线采用抛物线或各种拱轴系数的悬链线时,恒载状态主跨拱肋弯矩的比较见表1。

表1 主跨拱肋弯矩比较表 x103kN·m

主拱肋为钢混混合结构,其中两侧各15 m（水平投影长度）为C50混凝土结构,跨中段为Q345qE钢结构,拱肋外形呈六边形。钢拱肋为等截面,高2.8 m,宽3.7 m；截面板件厚25 mm,顶底板及腹板设板式加劲肋；箱内设横隔板,在吊杆位置为竖向,其余沿拱轴线法向布置,间距约2 m,在吊杆附近用半框架隔板加密。混凝土拱肋为变截面,高2.8～3.8 m,宽3.7 m,标准段壁厚60 cm,拱脚及结合段壁厚加厚至90 cm。主跨拱肋横断面见图3。钢混结合段采用前后承压板的型式,承压板厚30 mm,结合段内设置焊钉、开孔钢板剪力键及预应力钢绞线以增强钢与混凝土的结合。混凝土拱肋内布置预应力钢绞线,以提高拱脚段的抗裂性能,分别锚固在混凝土拱座和钢梁后承压板上。

图3 主跨拱肋横断面（单位:mm）

桥面以下两主拱肋之间设置1道“K”形横撑,钢筋混凝土结构,箱型截面。

4.2 边跨拱肋

边拱肋为斜直线平行双肋,计算跨径30 m,矢高10 m。为使水平力传递平顺,将边拱肋轴线与主拱肋轴线在拱座内交于一点。每肋为C50预应力混凝土六边形箱变截面,高2.8～3.8 m,宽3.7 m；标准段壁厚60 cm,靠近拱顶及拱脚设倒角过渡。边拱肋在近边墩区域加高,以满足系杆锚固要求。

边拱肋之间设置端横梁,为预应力混凝土结构,截面呈箱型,桥梁中线处高2.63 m,宽3.6 m,顶底板厚35 cm,前后腹板厚95 cm。端横梁顶面设2%双向横坡,为主桥主梁、引桥箱梁提供支撑；底面水平,支撑在边墩的4个立柱上。

4.3 主梁

主梁为三跨连续等高度钢箱结构,主体结构板材为Q345qE钢。吊索区标准节段长7.5 m,宽36.97 m,吊杆锚点横向间距约33.4 m,锚点间为单箱6室截面,每室宽约5.5 m,斜拉索外侧为装饰箱,并作为系杆支架的支撑平台。箱梁顶、底面均设2%双向横坡,梁高2.2 m。

标准段钢梁顶板厚16 mm,采用U形闭口加劲肋,高280 mm、标准间距600 mm；底板厚16 mm,采用U形闭口加劲肋,高250 mm、标准间距800 mm。钢箱梁在支承区域,顶底板均作加厚处理,板厚均为20 mm,不同厚度的板间拼接处设单边1∶8斜坡。箱梁纵向共设7道腹板:除吊索区与钢锚箱焊接的边腹板厚度为30 mm外,其余腹板厚一般为12 mm,腹板均设一字加劲肋。

7.5 m标准梁段上设置1道吊点横隔板、2道普通横隔板,横隔板间距2.5 m。吊点横隔板采用实腹式,板厚16 mm,板上预留过人孔；普通横隔板为框架式,板厚12 mm。钢梁纵向在主墩处设中横梁,在边支点设端横梁,顶底板均加厚至20 mm。端横梁在车行道范围的箱梁顶部预留槽口,以埋设伸缩缝。钢箱梁标准段横断面见图4。

图4 钢箱梁横断面（单位:mm）

4.4 人行道、人行桥

大桥人行系统包括人行道和人行桥两部分。主桥桥面两侧各设4 m宽人非混行道,全长设置。人行桥标准宽度2.7 m,行人通过位于主跨跨中的连廊上人行桥,经设置于主梁外侧挑梁、梁下吊杆及立柱上的斜坡道抵达生态园区。人行桥挑梁间距7.5 m,纵向以Φ800 mm钢管串联,通过斜吊杆与主拱肋连接。人行桥与主体结构的连接为栓焊组合式,栓接部分设计为可拆卸。

4.5 吊杆

分为悬吊主桥箱梁的主吊杆和悬吊人行桥挑梁的副吊杆,纵向间距均为7.5 m,主吊杆13对,副吊杆11对。吊杆均采用环氧喷涂钢丝拉索体系,标准强度1 670 MPa,采用双层PE防护,安全系数大于2.5。

副吊杆采用19丝φ5 mm平行钢丝索,两端均采用热铸锚（叉耳）,上端锚固于拱肋底板下方的耳板,下端锚固于人行桥挑梁的耳板,在挑梁端张拉。

4.6 系杆

为平衡中跨拱肋的水平推力,在主桥两端横梁之间布设水平拉索。每榀拱肋设6束,按上下两层布置。每束拉索由19φs15.2环氧喷涂钢绞线组成,标准强度1 860 MPa,采用夹片锚具,双层PE防护。系杆布置在人行道外侧、主梁装饰箱上方,在主梁与拱肋相交处设系杆盒穿过,在边跨拱肋实体段内设预埋管穿过,并逐渐散开锚固于边拱肋端部。

4.7 装饰桁架

从主桥立面景观考虑,将主墩三角区设计成桁架外形。上弦杆立面呈凹型曲线,一端与边拱拱顶连接,一端与主跨拱肋近似相切,下弦杆即为三角区内的主拱肋及边拱肋,上下弦杆以竖腹杆相连,间距2 m。为简化三角区桁架的结构设计,通过调整施工工序减小上弦杆、竖腹杆受力,将其设计为装饰杆件。

上弦杆为六边形箱等截面,宽1.8 m,高1.5 m。截面板件厚16 mm,设板式加劲肋；竖腹杆为矩形箱截面,40 cm（短边）×80 cm（长边）,腹杆高1.6～12.1 m。

4.8 下部结构

5 结构分析计算

5.1 静力分析

利用有限元程序建立空间模型:主梁用梁单元建立等效梁格,拱肋、人行桥挑梁、装饰桁架等用梁单元建模,吊杆用杆单元建模,系杆用体外预应力模拟,主墩基础考虑桩—土相互作用影响,桩基用六个自由度的弹簧模拟。主体结构模型见图5。

图5 静力计算模型

计算时模拟主桥上部结构采用少支架施工、装饰桁架及部分人行桥结构在主体结构形成后再安装的施工工序,并对成桥运营阶段的使用荷载进行计算,计入恒载、活载、整体升降温、体系温差、横向静风荷载等的作用。

钢梁、钢拱肋按公路钢结构规范[3]验算,钢梁最大正应力70 MPa（跨中）～115 MPa（支点）,钢拱肋最大正应力153 MPa,承载能力和疲劳验算满足。混凝土拱肋及横撑等按公路混凝土规范[4]验算,承载能力及使用状态均满足。

主梁在移动荷载作用下的最大竖向挠度为32 mm＜L/800=162 mm（L为主跨跨径）,结构整体刚度满足规范[5]。

5.2 稳定分析

主桥主跨桥面以上不设横撑,对主桥的整体稳定性不利,需要建立空间分析模型进行验证。模型采用空间梁格,考虑恒载初始内力的影响,以恒载、活载（汽车+人群）及风荷载为可变荷载,进行线性屈曲分析。由表2可知,最小一阶稳定系数为9.54,呈拱肋侧倾失稳,结构整体稳定满足。

表2 结构曲屈系数及曲屈模态

以静力分析模型为基础,同时考虑支座、边墩等下部结构和基础的影响,采用反应谱法进行抗震分析,自振特性结果见表3。

表3 结构自振频率及振型特性

地震分析表明,上部结构的梁、拱不受地震作用控制。在E2地震作用下,固定支座的水平抗力不足,主墩立柱和承台受力较大。通过在梁底布置弹塑性钢阻尼支座,以延长结构自振周期、减小地震力的影响。

6 施工方法

按常规方法施工桩基、承台及立柱等。梁拱均采用支架施工:混凝土拱肋采用支架现浇,钢梁、钢拱肋采用工厂分块制作、在工地的梁柱式支架上安装。从以下方面优化施工工序,以使结构受力更优:（1）合理安排钢梁外侧装饰边箱、拱肋三角区的装饰桁架及人行桥构件的安装时机；（2）分批张拉混凝土拱肋及横梁内的钢束。

7 结语

弥河大桥为了实现交通和景观的双重功能,巧妙构思了三跨连续梁、中承式拱的组合结构体系,拓展了中承式拱桥的布置。通过优选拱轴线型减小了拱脚的负弯矩；在主梁梁底布置减隔震支座,改善了结构的抗震性能；在主墩三角区设计装饰桁架、主梁设外挑人行步道,丰富了桥梁的景观效应。

该桥的建成必将成为寿光市新的城市景观。

[1]CJJ 11-2011,城市桥梁设计规范[S].

[2]刘孝辉.重庆菜园坝长江大桥设计方案研究[J].公路交通技术, 2004(2):33-36.

[3]JTG D64-2015,公路钢结构桥梁设计规范[S].

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

[5]JTG/T D65-06 2015,公路钢管混凝土拱桥设计规范[S].

U448.22

B

1009-7716（2017）07-0060-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.018

2017-03-26

曹海顺（1978-）,男,江西东乡人,高级工程师,从事桥梁设计工作。