下承式大跨度提篮拱桥设计与分析

杜 鹏，唐志强

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海市 200063；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海市 200063）

1 概述

1.1 工程概况

凌波桥桥梁工程位于扬州市三湾公园内，现状古运河河道宽度约140 m，桥梁中心线与河道夹角为90°，是连接古运河东西两岸的重要通道。桥梁工程设计起点桩号K0+276，终点桩号K0+499，全长223 m，跨径布置为2×25 m+148 m+25 m=223 m，其中主桥采用下承式提篮拱桥，引桥采用简支预制小箱梁，如图1所示。凌波桥设计灵感来自扬州的水，扬州以“州界多水，水扬波”而闻名，京杭大运河的发端就在这里，扬州也是全国唯一一座与古运河同龄的城市，有着源远流长的水文化，通过桥的形态设计与水流产生互动，展现今天的扬州打造亲水城市的手笔，让人感受到扬州“水域共生”的深厚文化底蕴。

图1 凌波桥总体立面图（单位：cm）

1.2 基本建设条件

1.2.1 自然地理

场地位于中纬度地带，属凉亚热带湿润气候，年平均降雨量1 033 mm，年平均蒸发量1 518 mm。潜水位年变幅最大为2.15 m，最小为0.84m，高值一般出现在7～9月汛期，低值多出现在11～12月旱季。

1.2.2 地形地貌

场地位于长江下游冲积平原区，地貌类型属三角洲平原的古河口沙嘴。桥址处古运河西岸为沙石堆场，地面高程约5.5 m，东岸为农田，地面高程 5.8～6.7 m。

1.2.3 地质构造

场地大地构造位置处于我国大陆东部扬子准地台苏南隆起区的江都隆起部位。场地北侧有蒋王-宜陵断裂、西侧有蒋王庙-酒甸断裂，东侧有凤凰河断裂穿过，其他断裂离场地较远。根据区域地质资料，这些断裂晚近期均未发现活动迹象，场地区域地质稳定较好。

1.3 主要技术标准

（1）道路等级：城市支路，设计车速30 km/h。

（2）设计荷载:城-B级，人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取用。

（3）古运河Ⅵ级航道，航道宽25m，通航净空不小于4.5 m。

（4）抗震设防标准为7度,地震动峰值加速度0.15 g。

（5）设计水位及设计洪水频率：最低通航水位3.830 m，最高通航水位5.830 m，设计洪水频率1/100。

（6）桥梁纵坡：桥面最大纵坡2.9%，最小竖曲线半径（凸）R=1 000 m。

（7）断面布置。主桥：2.0 m（工作空间）+2.0 m（人行道）+8.0 m（机动车道）+2.0 m（人行道）+2.0 m（工作空间）=16.0 m。 引桥：2.0 m（人行道）+8.0 m（机动车道）+2.0 m（人行道）=12.0 m。

2 主桥设计

2.1 结构体系设计

主桥采用主跨148 m的下承式提篮拱桥，主拱肋采用钢箱截面，两片拱肋间设风撑。主梁采用由边纵梁、横梁、小纵梁组成的钢结构纵横体系，上设正交异性钢桥面板。

2.2 拱肋

主跨理论跨径148 m，矢高为30.31 m，矢跨比为 1/4.9，拱轴线最高点距桥面顶面27.1 m，采用提篮形双拱肋，拱肋向桥中心线倾斜。主拱拱轴线由四段抛物线组成，平、立面抛物线方程为Y=pow

主桥拱肋分为15个节段，从拱顶的Z1节段至拱脚的Z8节段，对称布置，拱肋断面为等宽变高度单室钢箱，宽度为2.5 m。其中，合龙段Z1节段长20 m，高度从跨中4.5 m渐变至理论分段线处4.214 m；拱肋节段 Z2～Z6，节段长均为10 m，高度从4.214 m渐变至3.346 m；拱肋节段Z7，节段长6 m，高度从3.346 m渐变至3.623 m；拱脚段Z8，节段长7.92 m，为拱脚非标段。

Z1节段的顶、底板厚18 mm，腹板板厚为16 mm，纵向加劲肋厚为16 mm；Z2～Z3节段的顶板、底板板厚为25 mm，腹板板厚为 22 mm，纵向加劲肋厚为20 mm；Z4～Z8节段的顶板、底板板厚为32 mm，腹板板厚为28 mm，纵向加劲肋厚为22 mm。

拱轴线立面为抛物线，拱轴线的各交点均在抛物线上，每段直线段平面投影长2 m。每4 m（平面投影长）设置一道横隔板，两道横隔板之间设置一道纵向加劲，纵向采用板式加劲肋，刚性加劲设计。横隔板厚28 mm，横隔板处设人孔，人孔加劲肋厚12 mm，宽268 mm，纵向板式加劲肋厚30 mm。

以跨中为中心，对称布置风撑，共设置5道，其中3道一字形风撑、2道K形风撑，风撑的水平投影间距为20 m。风撑、斜撑均采用箱形截面，截面顶底板与拱轴线连线平行。风撑、斜撑标准横断面尺寸均为1.75 m×2 m。风撑、斜撑的顶板、底板及腹板厚度均为16 mm，加劲肋厚度为14 mm，每2 m设置一道横隔板，横隔板厚14 mm，如图2所示。

图2 拱肋标准断面图

2.3 主梁

主梁采用钢结构体系，是由钢结构梁格与桥面板组成的整体。钢梁格由两根边主梁、端横梁、中横梁、小纵梁组成。桥面板采用正交异性钢桥面板。

该桥钢加劲梁采用工厂预制节段，现场连接成整体的施工方式，根据构造及施工架设的需要划分节段。全桥系梁共分为9个节段Z1～Z9，对称布置。其中，Z1、Z9为拱梁结合段，节段长5.8m；Z2、Z8 节段长 17.12 m；Z3、Z5、Z7 节段长 20 m，其中Z5节段为跨中合龙段；Z4、Z6节段长18 m。

Z2～Z8节段边主梁采用箱形截面，宽2.0 m，高1.4～1.44 m，顶面设置2%横坡，底面水平，其顶、底板厚25 mm，腹板厚20 mm。纵向设加劲肋，高200 mm，厚25 mm。每5 m设置一道横隔板，局部间距根据构造调整，横隔板厚20 mm，横隔板处设人孔，人孔加劲肋厚12 mm，宽120 mm。

中横梁标准间距5 m，局部间距根据构造调整，中横梁位置与边主梁横隔板位置相对应。横梁截面采用工字形截面，顶面设置2%横坡，顶面与桥面板连接，桥面板板厚14 mm，底面与系梁底面齐平。中横梁梁高1.44～1.56 m，腹板厚20 mm，底板厚25 mm，底板宽600 mm。横梁间沿纵桥向设置两道小纵梁。小纵梁采用工字形截面，梁高0.986 m，腹板厚18 mm，底板厚20 mm，底板宽400 mm。

拱梁结合段（Z1、Z9）设置边主梁与拱肋连接段，拱肋和拱梁结合段连接，断面形式为主梁与拱肋组合成的不规则截面。边主梁及拱梁结合段均采用箱形截面，顶面设置2%横坡，底面水平。边主梁及拱梁结合段顶、底板均加厚至40 mm，腹板厚20 mm。每2 m设置一道横隔板，板厚30 mm，横隔板处分别设人孔，人孔加劲肋厚12 mm，宽120 mm。拱梁结合段端横梁标准间距2 m，端横梁位置与边主梁横隔板位置相对应。横梁截面采用工字形截面，顶面设置2%横坡，顶面与桥面板连接，桥面板加厚至40 mm，底面与系梁底面齐平。端横梁梁高1.44～1.56 m，腹板厚 30 mm，底板厚 40 mm，底板宽600 mm。端横梁间沿纵桥向设两道小纵梁。小纵梁采用工字形截面，梁高0.986 m，腹板厚18 mm，底板厚20 mm，底板宽400 mm，如图3所示。

图3 主梁标准断面图

2.4 吊杆

主桥吊杆两侧对称布置，吊杆顺桥向间距10 m，两侧拱下各设吊杆12根，全桥吊杆合计 24根。吊杆采用15.2×19单丝环氧喷涂无黏结钢绞线，缠包后热挤HDPE，索体外径105 mm，破断索力4 940 kN。拱上吊杆采用销接方式锚固，拱上插销板厚50 mm，两侧加强板厚25 mm，总厚度100 mm，吊杆锚固隔板与吊杆方向一致，垂直于水平面布置，与拱轴线斜交。梁上吊杆间距10 m，销接方式同拱上吊杆。吊杆采用两端锚固的形式，LZM7-127冷铸锚锚固体系，如图4所示。

图4 吊杆示意图

2.5 施工步骤

主桥施工步骤如图5所示。

图5 主桥施工步骤

3 计算分析

3.1 计算模型

分析程序分别采用MIDAS/Civil 2015和ANSYS进行计算[1]。MIDAS中拱肋、主梁采用空间梁单元，吊杆采用只受拉单元。模型共计梁单元607个，只受拉单元24个。ANSYS中共计划分单元11万个，如图6和图7所示。

图6 MIDAS模型图

图7 ANSYS模型图

3.2 静力分析结果

3.2.1 拱肋

荷载作用下梁模型拱肋最大拉应力76 MPa，最大压应力156.6 MPa。板壳模型拱肋跨最大拉应力72.6 MPa，最大压应力151.6 MPa。

3.2.2 吊杆内力

恒载作用下梁模型吊杆内力467.3～634.1 kN；板壳模型吊杆内力389.0～682.0 kN。

3.2.3 竖向位移

荷载作用下梁模型拱肋竖向位移最大值8.7 cm；板壳模型拱肋竖向位移最大值9.2 cm。

3.2.4 纵向位移

荷载作用下梁模型拱肋顺桥向位移最大值4.4 cm；板壳模型拱肋顺桥向位移最大值4.1 cm。

如图8和图9所示，通过板壳模型与梁模型对比，梁模型精度基本满足要求。

图8 MIDAS位移示意图

图9 ANSYS位移示意图

3.3 局部分析结果

因拱脚与横梁连接处为该桥受力最复杂的部位，因此应用ANSYS对其进行局部应力分析[2]。

3.3.1 恒载（自重+二期）作用

恒载作用下拱梁结合部位最大梅塞思等效应力为172 MPa，位于主梁与横梁交接处，其余部位最大梅塞思等效应力为106 MPa，如图10和图11所示。

图10 恒载作用下拱梁结合部位桥面处梅塞思等效应力（单位：N/mm2）

图11 恒载作用下拱梁结合部位底面处梅塞思等效应力（单位：N/mm2）

3.3.2 活载（活载人群+汽车）作用

活载作用下拱梁结合部位最大梅塞思等效应力为27 MPa，位于主梁与横梁交接处，其余部位最大梅塞思等效应力为23 MPa，如图12和图13所示。

经分析比较，拱梁结合部位应力组合最大为237MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）相关承载力要求。

图12 活载作用下拱梁结合部位顶面处梅塞思等效应力（单位：N/mm2）

图13 活载作用下拱梁结合部位底面处梅塞思等效应力（单位：N/mm2）

4 使用情况

凌波桥自2018年1月30日开放运营以来，使用情况基本正常，且竣工前委托中设设计集团股份有限公司进行了荷载试验，并出具了荷载试验报告，报告结论复合相关要求，总体安全可靠，满足正常使用条件，如图14所示。

图14 现状照片

5 结语

凌波桥作为下承式提篮拱桥，成为扬州三湾的标志性建筑，代表了扬州的独特文化。大胆和独特的设计理念在国内屈指可数，也为此类组合桥型的可行性奠定了基础，提供了可借鉴的参考依据，证明了这种结构体系的可靠性，为今后更多的组合桥梁做出了贡献。