连续梁拱组合景观桥设计与计算分析

邓小伟

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

徐海路位于江苏省新沂市，是规划的中心城区三条东西向通道型主干路之一。沭河发源于山东沂蒙山南麓，呈南北流向，纵贯新沂城区中部，是整个城区的生态走廊，沭河景观带已成为市区一道靓丽的风景线。

徐海路沭河大桥是徐海路的关键节点，是连接沭河两岸的重要通道，也是沭河景观带的重要景观节点。该桥所属道路等级为城市主干路，设计车速为40 km/h，桥面按双向六车道、两侧布置非机动车道和人行道设计，桥下预留30 m宽通航孔，桥位区地震设防烈度为8度（0.2g）。

2 桥梁总体设计

2.1 总体设计原则

全面贯彻“功能适用、结构安全、经济合理、结构耐久、造型美观、环境协调、有利环保”和工程可实施性的总技术目标，以安全和功能为基础，桥梁造型兼顾经济性和景观性，且与周边环境协调。

2.2 桥跨布置分析

桥位处沭河主河槽宽度约160 m，两侧河滩与堤身断面宽度约35～40 m，根据堤防规范及河道管理部门要求，跨越大堤的跨径至少达到40 m，中间还剩余170 m，桥下需预留30 m宽远期通航孔（见图 1）。

图1 桥梁布跨分析图

按照常规设计经验，中间170 m可考虑采用三跨或五跨布置，主跨规模在40～80 m（见表1）。

表1 主桥布跨方案一览表

2.3 桥型方案设计

根据城市总体规划，沭河景观带上的桥梁分布如图2所示。

图2 沭河景观带桥梁分布图

从桥型上来看，除了北京路桥和马陵山路桥，其余老桥以预制梁桥为主。从经济性考虑，桥梁应优先采用造价经济、施工快捷的装配式预制混凝土梁或常规适用的变高度连续梁桥；从景观性考虑，作为沭河景观带的重要节点、沭河北段的景观高地，该桥应包含适当的桥上建筑，具有必要的景观功能；从与周围环境的协调考虑，桥上建筑高度不宜过高，避免显得突兀。

经过对预制梁桥、变高度连续梁桥、连续梁拱组合桥、斜拉桥等桥型方案进行深入比选，综合考虑上下游桥梁状况、远期通航要求、桥梁施工方法以及城市桥梁的景观需求等，最终确定采用兼顾经济性和景观性的连续梁拱组合桥方案。

区别于常规的梁拱组合桥，该桥做了一些改进：在拱脚处增设了辅助拱，使拱的线形更加平滑、顺畅，进一步美化了桥梁景观；两片拱之间不设横撑，使得景观更加简洁，视野更加通透。方案效果如图3所示。

图3 连续梁拱组合桥方案效果图

2.4 桥梁总体布置

主桥为（45+80+45）m连续梁拱组合桥，两侧引桥为30 m、40 m跨径的简支变连续小箱梁。主桥横断面布置如图4所示。

图4 主桥横断面布置图（单位：cm）

3 结构设计

3.1 结构体系

新沂位于地震设防烈度8度区，桥梁结构体系需要重点考虑地震影响。为了降低地震影响、优化下部结构受力，该桥采用了拱梁固结、梁墩分离的连续结构体系，并在墩顶设置减隔震支座。

不同于常规的梁拱组合桥，该桥采用先梁后拱、主梁悬臂浇筑的施工方案，可以最大限度地减少水中支架和阻水效应，有利于施工期间的河道行洪安全，大大降低了施工风险，满足河道管理部门的要求。悬臂施工的方法也决定了该桥以连续梁受力为主、钢拱受力为辅的特点。计算结果表明，钢拱及吊杆仅承担中跨17%的恒载与48%的活载，绝大部分荷载由主梁承受，这样在充分发挥主梁承载力与刚度优势的前提下，有利于减少主拱受力，优化拱肋截面尺寸，不仅可以提高桥梁的景观效果，降低施工难度和风险，还能有效节省工程投资[1]。

3.2 主梁

主梁采用三跨变高度预应力混凝土连续梁，中支点梁高4.4 m，边支点和跨中梁高2.4 m，梁底按二次抛物线变化。主梁纵桥向设置14道横隔梁及4道横梁，边支点横梁厚1.5 m，中支点横梁厚3 m，吊杆处横隔梁厚0.5 m。主梁横断面采用整幅单箱五室箱形断面，箱梁总宽40 m，底板总宽30 m，两侧设置5 m大挑臂，挑臂下纵向每4 m左右设置一道横肋支撑，横肋厚0.3 m。

边箱室在吊杆对应位置设置横隔梁，吊杆锚固在梁底，梁底内设置圆形张拉孔，张拉孔满足锚杯锚固的空间要求，预留检修盖板进行封锚。

箱梁预应力分为主梁纵向与横梁横向预应力，均按预应力混凝土A类构件设计。

3.3 拱肋

拱肋由主拱和副拱组成，主拱为重要受力构件，副拱主要起装饰作用，均采用钢结构。主拱跨度80 m，矢高16 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线。副拱跨度34 m，拱轴线为圆弧，半径R=200 m。拱肋划分为主拱拱脚段、主拱标准段、副拱拱脚段、副拱标准段以及拱肋结合段（见图5）。

图5 拱肋分段示意图（单位：mm）

主拱拱脚段位于中墩处主梁上方，钢拱通过混凝土拱座与箱梁内的实体段相连接。主拱肋锚入混凝土拱座3 m，传力构造包括通过剪力钉、PBL剪力键以及预应力锚固钢束等构造措施。预应力采用精轧螺纹粗钢筋，预应力同时也能改善混凝土拱座的拉应力。

主拱标准段采用矩形钢箱截面，宽1.5 m，高1.5 m。顶、底板、腹板厚度均为20 mm，加劲肋厚20 mm，高220 mm。钢拱肋自身隔板顺桥向间距2 m，隔板厚度16 mm，并存在局部间距调整。为避开一般横隔板，吊杆锚固隔板采用局部半高隔板形式，板厚30 mm。

副拱拱脚段位于边跨主梁顶面，两者之间采用四氟滑板支座连接。拱脚底面设计为圆柱曲面，可释放转动约束。为保证支座能长久地滑动和转动，副拱拱脚处的侧面钢板经特殊设计，兼作防尘挡板。

主拱拱脚段与主拱标准段之间为拱肋结合段，为主拱与副拱的相交结合段，采用变截面钢箱截面处理。两条单箱单室钢拱肋合并为一单箱单室断面。

3.4 吊杆

吊杆在主桥中跨布置，顺桥向间距4 m，共28根，横桥向距离桥梁中心线12.75 m，横桥向、顺桥向完全对称。采用PES7-37型号的高强镀锌平行钢丝束吊杆，锚具为冷铸墩头锚，安全系数K≥2.5。吊杆上端构件与拱肋连接，每根吊杆对应一根横隔梁，吊杆下端构件（张拉端）内置于主梁横隔梁内。

3.5 桥墩与基础

主桥中墩采用横向分离双墩的形式，墩柱中心距离道路中心线均为8.25 m。墩身厚3 m，墩高9.048 m，墩身顶宽12 m，墩身底宽8.809 m，外倾角为10°，每个墩顶对称布置两个支座，支座间距8.5 m。由于景观造型需要，墩顶两支座之间做挖孔处理。主桥中墩每个墩柱下承台厚3 m，平面尺寸为14.6 m×9.6 m。承台下布置11根ø1600 mm钻孔灌注桩，梅花形布置。

主桥边墩也采用横向分离双墩形式，基础采用 ø1200 mm钻孔灌注桩。

4 施工方案

主桥采用先梁后拱的施工方案，主梁采用挂篮悬臂施工，主拱采用分节段预制，在支架上拼装[2]。主桥主要施工步骤如下，示意图如图6所示。

（1）在枯水期搭设栈桥与施工围堰，进行下部结构施工。

（2）中墩采取临时固结措施，支架上施工主梁0＃段和拱座。

（3）采用挂篮依次施工主梁1#～8#段。

（4）主梁边跨合龙，解除中墩临时固结。

（5）主梁中跨合龙，释放支座纵桥向临时锁定。

图6 主桥施工步骤示意图

（6）在梁上搭设支架，节段拼装钢拱肋。

（7）安装并按照指定顺序张拉吊杆到设计索力。

（8）拆除栈桥，完成桥面系等附属施工。

5 计算分析

5.1 计算模型

结构分析采用有限元软件midas/Civil 2015建立三维模型，进行静力、动力特性分析以及抗震计算。计算模型中主梁、拱肋、桥墩、承台均离散为空间梁单元，吊杆采用空间桁架单位模拟，基础采用“六弹簧”模拟（见图7）。

图7 空间有限元模型

主桥采用拉索减震支座[3]，在进行静力、动力特性分析以及地震作用反应谱分析时，假定固定支座为铰接约束，滑动支座滑动方向为自由；在进行E2地震下非线性时程分析时，支座采用非线性单元模拟，考虑支座的摩擦耗能作用；减隔震装置采用能够描述其力学特性的非线性连接单元模拟，拉索减震支座采用滞回模型与勾单元、间隙单元组合模拟。拉索减振支座力学模型如图8所示。其中，K1为非线性分析工况的屈服前刚度，Ks为非线性分析工况拉索刚度，U0为拉索减震支座的自由程，Fs为支座摩擦力。

引桥采用铅芯橡胶支座，在进行E2地震下非线性时程分析时，支座采用非线性单元中的滞回模型模拟。恢复力模型如图9所示。其中，Ku为屈服前刚度，Kd为屈服后刚度，Keff为等效刚度，Fy为铅芯屈服力，Δy为屈服位移，Dd为设计位移。

图8 拉索减震支座力学模型

图9 铅芯橡胶支座恢复力模型

5.2 静力计算

施工阶段按照设计施工步骤进行模拟，计算方法及内容按照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）以及《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）等规范执行。

主梁主要计算结果：长期、短期组合下，主梁上下缘均有一定的压应力储备，正截面抗裂满足要求；短期组合下，中支点附近最大主拉应力为1.2 MPa＜1.325 MPa，斜截面抗裂满足要求；标准组合下，主梁最大压应力为12.4 MPa，满足抗压验算要求；挠度验算、短暂状况验算及承载能力极限状态验算均满足规范要求。

承载能力极限状态基本组合下，拱肋上缘正应力为-112.4～59.3 MPa，下缘正应力为-111.6～44.3 MPa，剪应力为 -15.2～15 MPa；考虑有效宽度影响后，拱肋应力放大系数为1.003，考虑整体稳定后，拱肋应力放大系数为1.56，拱肋最大正应力为176 MPa＜270 MPa，最大剪应力为15.2 MPa＜155 MPa，满足规范要求。

标准组合下，吊杆最大轴力为926 kN，其破断力为2 378 kN，安全系数K=2.57＞2.5；活载疲劳最大应力幅为102 MPa＜160 MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）第13.2.2条的要求。

5.3 整体稳定分析

该桥两片拱之间不设横撑，拱肋的横向稳定值得关注。

施工过程裸拱阶段，以结构自重为可变荷载，一阶屈曲稳定系数为62，表现为拱肋面外失稳。成桥运营阶段，将结构自重、二期荷载、车辆荷载、人群荷载、风荷载均定义为可变荷载，一阶屈曲稳定系数为13.6，也表现为拱肋面外失稳，如图10所示。

图10 成桥运营阶段主桥一阶屈曲模态

5.4 抗震分析

5.4.1 抗震设防标准与性能目标

该桥抗震设防分类为丙类，需采用两级抗震设防：E1地震作用下，结构总体反应在弹性范围，基本无损伤，震后可立即使用；E2地震作用下，不产生严重的结构损伤，经临时加固，可供紧急救援车辆通行。

5.4.2 地震作用

主桥采用连续梁拱组合桥，为8度区的拱式结构，需考虑水平向和竖向地震作用。反应谱分析时，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）第5.2条取值；时程分析时，根据设计加速度反应谱，合成与其兼容的设计加速度时程，数量不少于三组，且保证两两相关系数的绝对值小于1[4]。

5.4.3 地震作用分析

E1地震采用多振型反应谱法（MM），振型组合采用CQC组合，根据试算结果，计算中振型取前30阶，方向输入：①纵向+竖向；②横向+竖向。计算方向上有效振型参与质量达到该方向结构总质量的90%，满足规范要求。

经计算，E1纵向输入下，主墩纵向限位支座剪力为6 871 kN；E1横向输入下，主墩横向限位支座剪力为12 080 kN，均超过支座水平承载力5 000 kN，支座剪力销剪断，转变为活动支座，隔离上下部结构，减少地震力传递，并利用摩擦耗散能量，同时由拉索限制由此造成的过大动位移。此时应进行非线性时程分析。减隔震支座发挥作用，应力求上部结构、桥墩和基础不受损伤，基本在弹性工作范围，可只进行E2地震作用下的抗震设计和验算。

E2地震作用下，减隔震支座发挥作用，支座滞回曲线如图11、图12所示。

图11 主桥拉索减震支座的滞回曲线

图12 引桥铅芯橡胶支座的滞回曲线

采用减隔震支座与普通支座相比，主墩受力显著减少，墩底与承台底弯矩仅为原来的13%～18%（见表2）。桥墩与基础的抗弯、抗剪强度以及桩基承载力均满足规范要求。

表2 减隔震前后主墩内力对比

主、引桥支座的变形验算见表3。

表3 主、引桥支座变形验算

主、引桥梁端相对位移为20 cm（见图13），梁端间隙设置为24 cm，满足要求；引桥过渡墩处梁端相对位移为4 cm（见图14），梁体间隙设置为16 cm，满足要求；台背与梁端相对位移为5.5 cm（见图15），间隙设置为16 cm，满足要求。

图13 主、引桥梁端相对位移时程

图14 引桥过渡墩处梁端相对位移时程

图15 台背与梁端相对位移时程

6 结语

通过上述介绍，对该桥设计特点总结如下：

（1）主桥采用（45+80+45）m=170 m 的连续梁拱组合桥，混凝土主梁厚重敦实，为主要承重构件；钢拱造型轻盈优美，为辅助受力构件，并显著提升了桥梁景观。梁拱组合桥兼具经济性与景观性，是城市桥梁中极具竞争力的桥型之一。

（2）主桥采用先梁后拱、主梁悬臂浇筑的施工方案，可以最大限度地减少水中支架和阻水效应，有利于施工期间的河道行洪安全，大大降低施工风险，满足河道管理部门的要求。

（3）区别于常规的梁拱组合桥，该桥做了一些改进：在拱脚处增设了辅助拱，使拱的线形更加平滑、顺畅，进一步美化了桥梁景观；两片拱之间不设横撑，使得景观更加简洁，视野更加通透，同时拱肋的横向稳定验算也满足要求。

（4）桥梁位于高烈度地震区，采用减隔震设计，极大地减小了桥墩与基础的受力与规模，具有很强的经济效益。主桥采用拉索减震球钢支座，在强震作用下通过支座滑动面隔离上下部结构，减少地震力传递，并利用摩擦耗散能量，同时由拉索限制地震引起过大的位移。