多跨简支下承式系杆拱桥设计与施工

黄生富

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200125）

1 工程概况

博乐市位于新疆维吾尔自治区的西北部，为博尔塔拉蒙古自治州首府，是全州政治、经济、文化的中心，是中国西部重要沿边开放城市和第二座亚欧大陆桥的西桥头堡，拥有国家一级开放口岸—阿拉山口口岸。博河新区位于博乐老城南部，是博乐市发展的新引擎，博河新区系列桥梁为博乐老城与博河新区沟通的城市主要道路跨越博尔塔拉河及新区水系重要节点工程。团结路桥为规划团结路跨越七一水库节点工程，是沟通北城片区和南城片区的纽带，对推动桥位周边及整个博河新区的发展起着关键作用，是本次桥梁系列设计中规模最大的桥梁。桥梁位于水库库区，周边将结合桥梁的建设发展水景景观，团结路桥除满足交通需求外，还需满足城市对景观方面的要求。

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市次干道，设计车速40 km/h；

（2）设计荷载：汽车荷载，城-A级(根据业主要求，提高标准)；人行道及非机动车道按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取用；

（3）桥梁设计基准期：100 a；

（4）设计安全等级：一级；

（5）环境类别：Ⅱ类；

（6）抗震：地震动峰值加速度0.1g，抗震设防烈度为7度；

（7）防洪：100 a一遇洪水位 509.85 m，300 a一遇洪水位510.63 m。

3 桥梁方案比选

工程范围南起迎春路、北至沿河大道，跨越博尔塔拉河下游七一水库，水面宽度约700 m。桥梁位于宽阔水面，需要一定的体量和规模才能与之相匹配。设计最初桥梁方案为独塔风帆单索面斜拉桥，考虑了全钢方案和全混凝土方案的景观造型和施工可行性，结合项目所在地的具体条件，得出该方案在景观造型上不尽完美，施工难度及后期养护难度大的结论，通过方案进一步比选和综合业主意见，最终确定以连拱方案为实施方案，见图1。

图1 团结路大桥效果图

连拱方案整体造型如连山、如水波，挥洒飘逸，似两条洁白的哈达，寓意作为古“丝绸之路”重镇的博乐，在今天作为“一带一路”国家战略的桥头堡，肩负着走出国门，沟通亚欧的重任，同时也用最高的热情迎接着八方来客。

4 结构总体构思

桥梁总体上采用多跨简支下承式系杆拱桥方案，主桥长354 m，跨径布置为37 m+47 m+58 m+70 m+58 m+47 m+37 m；各跨跨度及拱肋高度渐次变化，外形连绵起伏，形成优美韵律。系杆拱桥采用钢箱拱肋、预应力混凝土系梁，为刚梁刚拱体系，总体布置见图2、图3。

图2 团结路大桥立面布置图（单位：mm）

图3 团结路大桥横断面布置图（单位：mm）

该方案结合当地的施工及养护技术水平，在保证桥梁景观效果的前提下，尽量减少大桥施工难度及养护难度，主要体现在以下方面：

（1）结构设计为多跨简支结构，简化结构体系，减小施工难度。为了提高行车舒适性，设置桥面连续构造，整个主桥建成后共分为三联。

（2）预应力混凝土主梁用做拱桥的系梁，主梁截面大、刚度大，结构受力对施工步骤不敏感。主梁的预应力可以一次张拉完成，避免了一般系杆拱桥水平系杆需多次张拉的要求，简化施工控制要求，缩短施工工期。

（3）预应力混凝土主梁作为系梁，桥面体系整体性好，刚度大，耐久性好，后期维修养护技术要求低。

（4）充分利用水库的枯水期，采用先梁后拱的方案，施工技术难度小，并且采用钢结构拱肋工厂制作与现场工作同步进行，施工速度快。

5 结构设计要点

5.1 拱肋

全桥横向布置两片变截面钢箱拱肋，为了提高桥梁的整体景观效果，拱肋之间不设置风撑，桥面以上构造更加简洁，视野更加开阔。

拱轴线采用二次抛物线，矢跨比为1/5。拱肋截面采用六边形陀螺形钢箱截面，材料为Q345qE。拱肋内部设置纵向I字型加劲肋，增强拱肋面板的稳定性。拱肋内部设置间距1 700 mm左右的横隔板，其中一般横隔板垂直于拱轴线布置；吊点横隔板铅锤布置，见图4。

图4 拱肋布置示意图（单位：mm）

由于景观造型需要，拱肋截面采用了六边形陀螺形钢箱截面，并且截面高度及宽度均沿着拱轴线弧长变化。与矩形截面相比，本桥拱肋截面更显轻盈，而且造型更为丰富，但也带来了拱肋放样的困难。拱肋截面尺寸变化较为复杂：底板宽度始终保持不变，为1 100 mm，斜腹板倾斜角度保持不变，斜率为4∶1；拱顶宽度B、拱肋高度H，均沿着拱轴线弧长（S）线性变化，拱轴线原点（0，0）位于拱顶。拱肋面板为空间曲面，涉及平面展开的问题，杨晖柱等[2]在国家体育场钢结构空间弯扭箱形截面的三维建模与放样中探讨了这个问题，涉及的方法可进一步提炼为“空间曲面平面展开三角形拟合法”。

拱肋面板为空间曲面，特点为两个长棱边为空间曲线，两个端头棱边为直线段。平面展开放样的实用方法见图5，可称之为“空间曲面平面展开三角形拟合法”。曲面的两条长边上分别设置节点C1（i）、C1（i+1）、C1（i+2）…… ，C2（i）、C2（i+1）、C2（i+2）……；计算空间节点 C1（i）、C2（i）、C2（i+1）形成的三角形S（i），绘制于平面上，依次在平面上绘制 S（i）、S（i+1）……，最终将曲面展开至平面上。为了保证曲面展开的精度，曲面边线划分点数应保证一定的密度。

图5 空间曲面平面展开三角形拟合法示意

根据以上原理，编制了专门的空间曲面平面展开程序，拱肋设计时给出了各个拱肋节段的顶板、底板、直腹板、斜腹板的平面展开图，解决了拱肋面板空间曲面的放样问题。

5.2 拱脚

拱脚为混凝土结构，立面线形与拱肋相呼应，采用圆弧造型，保持相邻拱肋之间线形流畅，形成连拱的建筑效果；拱脚下半部分作内倾处理与拱肋截面相一致，使拱脚造型更显轻盈；拱脚与拱肋结合采用内埋式设计。钢箱拱肋与混凝土拱脚的连接段分为对接区、过渡区、尾部区，见图6。对接区与钢箱拱肋采用对接焊连接；过渡区预埋于混凝土拱脚内，面板外表面布置M22焊钉，同时端部设置承压板，通过端部承压板及焊钉，将拱肋内力传递至混凝土拱脚；尾部区为承压板尾部设置的开孔板连接件的区域，进一步加强预埋钢拱肋与混凝土拱脚的连接，以及缓解端承压板处的应力集中现象。

图6 拱脚构造

5.3 吊杆

吊杆采用钢绞线整束挤压吊杆，吊杆纵桥向间距为4.16～5 m。拱肋端吊点采用插销式耳板，为固定端，梁端吊点锚固于系梁底面，为张拉端；锚固系统采用整束挤压拉索锚具。为了降低拱肋端销轴及耳板的受力，横向采用双吊杆布置，规格为GJ15-7～GJ15-12，并在张拉端设置球铰以适应吊杆微小转动。

5.4 主梁

由于桥面较宽，为了降低横梁的跨度及减小人非道大悬臂外挑的设计难度，系梁采用单箱双室截面的双主梁布置形式，见图7。双主梁中心距26.5 m，箱梁顶宽11.8 m，底宽6 m，中心高度为2.2 m，见图7。主梁采用预应力混凝土结构，纵向预应力钢束一方面需要抵抗拱桥结构体系的拱脚水平推力，另一方面需要抵抗主梁竖向弯曲效应。

图7 主梁构造（单位：mm）

两主梁之间设置中横梁和端横梁。中横梁分为一般横梁和吊点横梁，均为T形断面，腹板厚度0.6 m，底面与主梁平齐；端横梁为箱形断面，宽3～4.16 m，底面与系梁底平齐，腹板及顶底板厚度均为0.5 m；中横梁及端横梁均为预应力混凝土结构。

主梁范围内桥面板为双向板受力，受力较小，采用钢筋混凝土结构；横梁之间桥面板为顺桥向方向单向板，间距较大，采用预应力混凝土结构，布置纵向桥面板预应力钢束，钢束规格为øs15.24-5。

6 结构分析

6.1 计算模型

选取70 m跨拱桥为例进行简要介绍。采用Midas Civil软件，建立三维有限元计算模型，见图8，其中钢箱拱肋、混凝土主梁、横梁采用梁单元，吊杆采用杆单元。

图8 团结路大桥计算模型

6.2 主要计算结论

钢拱肋在恒载作用下，最大压应力为144.7MPa，未出现拉应力；在标准组合下，最大压应力为172.1 MPa，满足规范要求。

吊杆在恒载及活载组合作用下，单根吊杆最大拉力1 105.0 kN，最小安全系数为3.56＞3，强度满足规范要求。

主梁及横梁均按照预应力A类构件控制。正常使用极限状态的抗裂验算及应力验算和承载力极限状态下抗弯及抗剪验算均满足规范要求。

由于拱肋之间未设置风撑，拱肋的整体稳定是设计关注的重点之一。计算考虑两种荷载工况：一是恒载工况，以恒载为变量；二是恒载+汽车荷载工况，以恒载+汽车荷载为变量。恒载工况下的稳定系数为13.97，恒载及汽车荷载工况下的稳定系数为12.90，失稳模态见图9，为拱肋面外失稳，拱肋整体稳定系数满足规范要求，并且有较大的富裕度。

图9 结构失稳模态

另外对结构关键节点进行了三维有限元分析，包括拱端吊杆锚固局部应力分析、拱脚钢混结合部局部应力分析等。

7 施工方法及顺序

本桥采用先梁后拱的施工方法，系梁及横梁的施工采用支架方式施工。采用主要施工步骤如下：

（1）主桥桥墩钻孔灌注桩、承台、立柱和盖梁施工；搭设拱桥支架，支架上现浇系梁和中横梁；张拉系梁预应力钢束；

（2）按从跨中向梁端对称的张拉中横梁钢束；浇注端横梁及拱脚段混凝土，张拉端横梁预应力钢束；

（3）分段施工现场钢箱拱直至成型；

（4）安装吊杆，第一次张拉吊杆；

（5）拆除桥面系支架；安装桥面连续构造，桥面铺装及栏杆施工；

（6）调整各根吊杆内力至设计值，成桥通车。

本桥采用先梁后拱的施工方法，七跨拱桥同步进行施工，拱肋节段工厂预制和现场工作同步进行，大大缩短了施工工期。

8 结语

团结路大桥采用民族特色—哈达这一设计概念，多个拱圈高低错落，连绵起伏，寓意着作为古丝绸之路重镇的博乐在“一带一路”的时代主题下将展现出更多的活力和担当，符合博乐市的当地文化特点。同时，桥梁结构方案充分考虑当地的施工及养护技术水平及现场施工条件，设计为多跨简支下承式系杆拱桥，减小了大桥施工难度及养护要求。目前，团结路大桥已经运营通车，成为当地一景。