多跨连续拱桥拓宽改建的设计与思考

戎华钦

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 概述

金商公路白石矶桥位于青浦区淀山湖与元荡交界处，跨越淀山湖湖区。桥位处有现状白石矶老桥一座：该桥为一座上承式钢筋混凝土七跨无铰肋拱桥，修建于1983年，设计荷载为汽车-15级，挂车-80；桥梁全长244.8 m，桥宽10.5 m，中间七孔拱桥净跨径均为32.0 m，净矢跨比为1/7；桥梁上部结构由肋拱、排架及桥面板组成，每跨横向布置3榀拱肋，拱肋的拱脚部分为矩形截面，拱肋在拱脚、1/4跨及拱顶设工字形横系梁，每跨主拱上方均设有排架以支承桥面预制空心板梁；下部结构采用高填土组合式桥台，由桩基桥台和阻滑板组合而成，桥台及桥墩基础均采用直径1.0 m的钻孔灌注桩。白石矶老桥立面布置如图1所示。

图1 白石矶老桥立面图（单位：m）

白石矶桥所在金商公路拟进行拓宽改建，改建后金商公路由原先的三级公路提升为二级公路，道路断面由双向两车道拓宽至双向四车道+4.5 m环湖慢行道的规模。因此，由于道路提升改造的需要，需要对既有桥梁进行改建。

本文首先介绍了白石矶桥老桥保留利用，东侧另拼新桥的改建方案，既节省工程投资，也保留了这样一座历史悠久、结构优美、上海地区唯一的七跨连拱桥；其次从结构体系、桥面结构的设计等角度对连拱桥的设计进行一系列的剖析，为同类多跨长联连续拱桥的拓宽改建设计开拓思路。

1 改建方案

白石矶老桥设计荷载为汽-15、挂-80，道路改建后桥梁设计荷载提升至公路-Ⅰ级；虽然其承载力经检算已无法满足现行荷载标准要求，但是该桥经过三十多年运营，根据该工程检测资料，老桥实测拱轴线和设计拱轴线基本吻合，且桥台无位移和沉降，检算表明满足原设计荷载运营要求；因此，在金商公路改造时对其予以保留是可行的。白石矶老桥保留利用后改建方案断面如图2所示。

图2 白石矶桥改建横断面（单位：m）

该方案老桥虽然仍然维持原汽-15、挂-80的设计荷载标准，但是利用老桥作为一根车行道+人非慢行道，相比较现状双向两根车道通行的情况是偏于安全的，同时也有利于东侧新建桥梁三个车道的交通组织。其次，东侧新桥设置了2.7 m的硬路肩主要考虑新桥西侧单车道长度过长，如不设置则当车辆抛锚时，易产生交通拥堵；此外，当老桥出现较大病害，限制机动车通行时，可通过压缩东侧慢行道宽度实现双向四车道。

东侧新建桥梁为保持既有桥梁的设计风貌，新桥采用了与老桥一致的连续拱桥，并使用了新体系、新技术(体外索、组合桥面板等)来解决连续拱桥推力过大的问题。

2 结构体系

考虑到上海地区的软土地基的特性，对于多跨连拱桥的结构体系，解决水平推力问题一直是拱桥设计的重点和难点[1]，主要解决其边拱抗推的问题，因此提出的三种解决方案：

（1）方案一：采用群桩基础桥台+摩阻板的方式；

（2）方案二：在两侧边墩底的承台上张拉体外预应力，这也是软弱地质状况下，在流速较小且不通航的河道上建造上承式拱桥的一种常用处理方式；

（3）方案三：参照飞鸟拱的设计思路[2-3]在拱桥边跨之后增加半跨，两侧半跨的拱顶采用预应力连接，将上部拱结构形成自平衡体系，从而平衡边拱拱座水平力。

综合比较以上几种方案在该工程中的适应性得出以下结论：

所有患者均先行彩色多普勒超声检查，多切面观察盆腔肿块病变部位、大小、形态、内部结构、壁、后方声影、分隔、内部回声性质等，并显示彩色多普勒检测病变内部及周边血流显示情况。彩色多普勒超声评价参照Lerner[2]等评分方法进行评价，即依据壁的厚度、后方声影、内部分隔、内部回声评分。

方案一通过群桩基础及摩阻板的抗滑作用共同抵御桥台水平力，老桥边拱抗推设计即采用此方案，当土质较差且水平力较大时，桥台处不但会引起开挖量大而且软弱地基在水平力作用下产生的蠕变是难以量化和控制的；并且根据对老白石矶桥的复算，老桥现有的阻滑板堆土高度已不能满足公路-Ⅰ级荷载的下抗推要求。

方案二设置的体外预应力的置于拱脚位置下方，直接平衡拱脚水平力，但体外预应力设于水下，实际施工难度较大，且放样后发现体外预应力钢束难置于河床地面线以下，因此其防腐及防撞处理均比较困难，在该工程实例中不适宜采纳。

方案三采用飞鸟式拱桥的思路，是处理该结构方案水平推力的问题的解决方法：由老桥推力拱桥的形式调整为少推力拱桥，如图3所示。

3 桥面结构型式

对于多跨钢筋混凝土肋拱桥，为方便桥面结构的施工可考虑采用钢-混凝土组合梁桥面板，或者采用钢筋混凝土预制桥面板；和传统钢筋混凝土桥面相比，钢-混凝土组合梁结构受力性能更好，重量更轻。因此，在进行桥面结构选择的时候需进行包括构经济性在内的综合比选，如图4、图5所示。

图3 边拱体系调整示意图

（1）方案一：钢-混凝土组合梁桥面板

图4 钢—混凝土组合桥面板

（2）方案二：混凝土刚接空心板梁

图5 混凝土刚接空心板梁

从桥面板使用性能角度，方案一钢-混凝土组合梁桥面板采用钢梁+整体现浇桥面板结构，结构整体性更好；方案二桥面空心板梁标准跨径为4.19 m，采用钢筋混凝土结构，其结构刚度及耐久性能不如钢-混凝土组合结构，此外，桥面结构全部为简支结构，整体性差且简支结构桥面连续缝位置开裂的问题始终无法得到很好的解决。

从桥面结构对拱桥整体受力角度，根据两个方案整体计算，两个方案对拱圈的恒活载受力比较如表1所示。

表1 恒活载比例对比

从上表1可以看出，由于钢筋混凝土桥面板自重更大，拱圈内力中恒载比例更高。恒载较大会增加拱圈施工过程中的不平衡水平推力，这是因为考虑施工中的实际情况，九跨连拱桥各跨同时一次落架非常困难，所以，考虑拱圈分批落架势必会造成不平衡水平力，这对软土地基的拱桥来说是十分不利的，会增加施工过程中的风险。此外，连续拱桥在设计过程中还必须考虑防止运营期间因一孔拱圈意外破坏而引起的连续垮塌现象，所以恒载的增加还会导致止推墩设计难度和造价增加。

从整体经济性角度，当采用组合桥面板时虽然采用钢结构会导致桥面系造价增加，但是，恒载的降低会使得拱桥拱肋及下部结构材料用量更省，特别是拱圈推力减小对下部桩基的影响。和钢筋混凝土桥面板相比，采用组合桥面板全桥造价增加约5%。

综合上述分析，采用组合桥面板结构的主桥整体造价略有增加，但是无论从施工角度、使用性能、受力性能等角度均优于钢筋混凝土桥面板；考虑到组合桥面板方案施工阶段所产生的不平衡水平推力更小，更有利于施工期间结构安全；因此，该工程桥面结构采用钢-混凝土组合桥面板。

4 伸缩缝布置

多跨连续拱桥整体计算过程中，当考虑拱上结构与拱圈联合作用时[4]，计算发现桥面板的伸缩缝的设置位置对拱圈内力影响较大，该工程比较了3个伸缩缝布置方案，分别如图5～7所示。

图5 方案一：每个拱座位置均设置伸缩缝

图6 方案二：共设置四道伸缩缝

图7 方案三：全桥面连续，仅端部设缝

三种伸缩缝布置情况，拱圈分别在主要荷载温度、汽车工况以及荷载基本组合[5]下拱脚及拱顶最大弯矩值分别如表2所示。

表2 拱圈受力对比

从上面桥面板伸缩缝位置对拱圈受力的影响可以看出：伸缩缝布置对拱顶受力影响不大，对拱脚影响显著，对当桥面板结构采用全桥连续布置时，拱肋受力最优（主要为温度影响，收缩效应与温度相同），当荷载在基本组合时，拱脚最大弯矩和另外两个方案相比减小近30%，该方案对主拱结构受力最好。此外，从使用性能角度，当桥面板全桥连续布置，其行车舒适度最好而梁端位移较大的问题可通过设置位移量较大的桥面伸缩装置予以解决。该工程伸缩缝布置最终采用方案三桥面结构全桥连续的形式。

5 结语

多跨连续拱桥是一种景观效果较好的桥型，早年间上海地区建设了一批这样的桥。目前，由于道路功能提升，一些该类桥梁即将面临拓宽改建。本文以金商公路白石矶桥的改建为背景，考虑到该桥的实际使用性能仍维持良好，改造时予以了保留利用，东侧另建新桥，老桥则作为一根车道及人行和非机动车使用，为同类的桥梁的拓宽改建提供解决案例。

东侧新建的桥梁仍采用与老桥相一致的多跨连续拱桥，但该类桥型拱脚推力大，本文提出了采用飞鸟拱的解决思路，将推力拱桥改进为部分推力拱桥；并采用钢-混凝土组合桥面板以减轻恒载降低拱的推力，最后对桥面板的伸缩缝布置方案进行了试算比较，给出了合理建议。上述若干节点的处理方式可为软土地基上该类型多跨连拱桥设计提供思路。