空间曲面异形桥梁结构设计要点探讨

黄政

空间曲面异形桥梁结构设计要点探讨

黄政

Kong jian qu mian yi xing qiao liang jie gou she ji yao dian tan tao

一、工程概况

珠海十字门中央商务区位于十字门水道两侧，是珠海环澳城市带核心。为了提升珠海十字门中央商务区城市品牌的内涵和价值，跨越人工内河五座桥梁方案采用国际招标方式征集桥梁方案，桥梁总体布置与周边环境的总体景观、空间的比例相协调，人车分离，简洁流畅，体现现代气息。

海翼桥成桥照片

二、概念方案工程数字化

海翼桥造型方案整桥从上到下为三维空间曲面选型，本项目将选型按受力与装饰构件进行划分，将造型分为拱形装饰飘带、主体鱼腹梁、悬挑观景平台等部分。桥梁全长81.08m，跨径为21+34+21m=76m。上部结构采用鱼腹式变截面预应力混凝土连续箱梁，桥墩采用墙式实体墩，墩身与上部主梁曲线顺接成整体，桥台采用座板式桥台，基础形式为钻孔灌注桩基础；拱形飘带和悬挑观景平台均为变截面钢箱结构。全桥分两幅布置，桥梁两侧各设置8cm伸缩缝。

全桥外形均采用犀牛（Rhinoceros）软件进行参数化建模，方便查看各截面尺寸，指导结构尺寸拟定及装饰外形设计，在施工阶段指导三维模板放样。

三、结构选型

桥位场地内地层自上而下分别为：人工填筑土（厚约1m）、淤泥（厚约8m）、强风化花岗岩（厚约4m）、中风化花岗岩。本桥由于造型需要考虑利用淤泥层柔性作用采用连续刚构方案，下部结构为单排桩增加中墩柔度。但在结构受力对比分析中发现，由于两侧悬挑观景平台及上部拱形飘带的影响，刚构方案受力过于复杂，抗震性能较差。最后决定采用连续梁方案，桥墩采用花瓶型实体墩，墩身与上部主梁曲线顺接，墩身水平截面为近似圆角矩形断面，竖向截面为上宽下窄的花瓶型断面，最大限度拟合概念方案造型。

连续梁及刚构方案

1.上部构造

上部结构采用鱼腹式变截面预应力混凝土连续箱梁。

（1）箱梁构造

箱梁主跨为34m，边跨为21m，跨中及边跨端部梁高1.5m，根部梁高3.669m，箱底曲线采用样条曲线，箱梁为单箱六室断面结构，标准断面顶宽20.865m，底面直线段宽12.6m，两侧曲线段宽4.1325m，箱梁顶宽在墩顶位置渐变为21.865m；箱梁顶板厚25cm，底板厚28cm，腹板厚度在跨中为40cm到根部和端部渐变为60cm。

（2）预应力体系

箱梁纵向预应力钢束布置在腹板中，均采用12-ΦS15.20钢绞线，全桥共计72束，预应力管道采用内径90mm 塑料波纹管成孔，群锚M15-12锚具锚固，两端张拉。

2.下部构造

桥墩采用花瓶型实体墩，上宽下窄，横桥向顶部最大宽度20.58m，底部最小宽度为19.936m，顺桥向顶部最大宽度4.858m，底部最小宽度2.6m，桥墩承台尺寸为20.933×5.2×1.5m，基础采用双排桩10根φ1.2m钻孔灌注桩。桥台采用座板式桥台，承台尺寸为20.805×5.5×1.5m，基础采用双排桩12根φ1.2m钻孔灌注桩。全桥桩基础均按嵌岩桩进行设计。

四、悬挑观景平台钢结构

悬挑观景平台位于主桥两桥墩之间，端部与主梁中横梁预埋劲性骨架连接。平台标准断面宽2m（含栏杆），端部连接处局部加宽，采用圆弧线与主桥人行道进行顺接。平台为三维空间造型，平面投影为椭圆线，跨中悬挑出主桥10m。立面投影曲线为样条曲线，跨中混凝土面高于端部2.25m。

悬挑观景平台受力主体采用直腹板钢箱梁结构，跨中截面顶板宽2m，底板宽1.2m，悬臂宽度0.4m，梁高0.55m。钢箱梁高度由跨中向根部变高，与劲性骨架连接处梁高1.50m；钢箱梁箱室宽度由跨中向根部变宽，与劲性骨架连接处箱室宽为2.143m；钢箱梁跨中段顶板和腹板厚度为16mm，根部节段厚度为20mm；横隔板厚度为12mm，间隔1.5m布置，端部加密至1m。

本桥位于海边，铝板耐久性由氟碳烘烤漆进行保护，型氟碳漆以氟树脂为主要成分,专为喷涂厂烤漆生产线设计，具有出色的耐久性、保护性、持久美观等优异性能。

五、拱形飘带钢箱结构

拱形飘带位于主桥桥墩之上，两侧人行道之间，横向净宽为39.738m，净高为13.243m，顶部截面中心向车行方向倾斜6.73m。拱轴线为三维空间样条曲线。飘带骨架采用钢箱梁结构，钢箱顶、底板均为弧形板，跨中截面高度0.669m，宽度0.952m，根部截面高度1.326m，宽度3m。飘带钢板厚度为12mm。飘带截面两侧线型单独用6mm钢板加工成型。

六、劲性骨架

悬挑观景平台、拱形飘带与主梁的连接采用主梁中横梁内预埋劲性钢结构骨架的方式进行连接。劲性骨架根部预埋在主梁横梁内，端部连接悬挑观景平台，飘带底座与主桥中横梁内劲性骨架进行焊接，主梁、悬挑观景平台及拱形飘带三者能过劲性骨架形成固结体系。

劲性骨架为钢箱梁结构，根部高2m，宽3m，悬挑侧尺寸逐步缩小于为2.143m×1.5m，钢板根部厚度为16mm，悬臂端厚度为20mm。劲性骨架通过在钢板上开孔和设置剪力钉，增大与混凝土的抗剪能力。劲性骨架钢板在对应主梁腹板预应力筋及纵向受力主筋的位置开孔。

七、结语

综上所述，空间曲面异形桥梁设计具有一定复杂性、特殊性、多样性，造型及结构受力方案复杂，如何在实际的设计中灵活把握，值得我们每一个桥梁设计人员思考。本文结合工程实例，从方案参数化模型建立、结构选型及外观装饰等方面分析了桥梁设计中相关要点，只有我们不断去思考、解决施工中存在的问题，才能设计出更合理、更有效率的桥梁工程。

（作者单位：珠海市规划设计研究院）