系杆拱桥与连续梁的组合体系桥设计

祁伟超

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市 116024)

1 工程概况

盘锦辽东湾新区位于辽宁省盘锦市大洼县境内，地处辽东湾东北部，松辽平原南部的辽河口三角洲南端，大辽河入海口右岸，与营口市主城区仅一河之隔，其地理坐标为北纬40°41′10″，东经122°6′30″。现状陆域土地面积198.7km2，建成区面积为34.4km2，滩涂及浅海约63.3km2，通过填海造地加以利用，将形成109km的海河岸线。

盘锦辽东湾新区跨内湖中桥工程，位于盘锦市辽东湾新区正邦路上，起点位于向明河南岸，向南跨越含章湖，在赤蓬岛上落地，并通过匝道桥与玉露洲岛相连。桥梁具体位置如图1所示。

图1 盘锦辽东湾新区跨内湖中桥布置图

2 总体设计

2.1 方案构思

在满足通航净空的要求下，综合考虑美观、施工、造价等因素，以及辽东湾新区桥梁博物馆的总体设计理念，跨内湖中桥工程主桥提出系杆拱桥与连续梁的组合体系桥方案，桥梁结构美观、新颖。

2.2 平面设计

按照规划，跨内湖中桥位于盘锦市辽东湾新区正邦路上，工程起点ZK0+000.000m位于向明河南岸，向南跨越含章湖，在赤蓬岛上落地，终点里程ZK2+310.400m，并通过匝道桥与玉露洲岛相连，建成后将成为盘锦市辽滨沿海经济区未来交通网的重要组成部分。

根据规划道路走向，中桥工程主线平面线形位于直线段内，主线全长2310.4m，北侧引堤长191m，北侧引桥长1200m，主桥长386m，南侧引桥长360m，南侧引堤长173.4m。为了解决大桥及大陆与玉露洲岛的连接，还设置了四个匝道桥。

2.3 立面设计

(1)岛屿主干路净空要求：高度5m。

(2)岛屿岸边的环岛公路净空要求：高度3m。

(3)内河通航净空要求：最高通航水位1.0m，高度5m，宽度18m。

(4)内湖通航净空要求：最高通航水位1.0m，高度8m，宽度80m。

根据《城市道路设计规范》，综合考虑各控制因素的要求，主线最大纵坡3%，匝道4%；凸形竖曲线最小半径2000m，凹形竖曲线最小半径1800m；主线最小坡长175.8m，匝道最小坡长15m。

3 结构设计

3.1 结构体系

中桥主桥采用系杆拱桥与连续梁的组合体系，跨径布置为31m+62m+200m+62m+31m=386m，桥面纵坡为3.0%，系杆拱桥主跨为200m，吊杆顺桥向间距8.7m。边跨和次边跨采用不等跨混凝土连续梁结构，连续梁跨径布置为62m+31m，混凝土主梁支座采用隔震支座，中桥桥型立面布置图见图2，中桥横断面图见图3及图4。

图2 盘锦市辽东湾新区内湖中桥立面布置图(单位:cm)

图3 A-A断面(单位:cm)

图4 B-B断面(单位:cm)

主跨采用系杆拱桥结构，拱桥主梁采用整体钢箱梁结构，钢梁与拱肋横梁连接处设置四组纵向阻尼限位装置和两组横向限位装置，拱桥钢主梁竖向支座采用拉压支座。拱桥拱肋由上肢拱、主拱、边拱和辅助拱四部分组成，除边拱采用混凝土矩形截面结构外，其余均采用全焊钢箱结构。跨中部分上肢拱与主拱重叠，上肢拱与主拱分离部分通过立柱连接，两片主拱之间通过风撑连接。混凝土拱肋支撑于刚构上，通过牛腿与刚构相连，牛腿处支座采用普通板式橡胶支座，为了防止支座脱空牛腿处设置了竖向钢拉杆。

3.2 主梁

主梁分钢箱梁和混凝土两部分。系杆拱桥部分主梁为钢主梁，桥面横坡为双向1.5%，由箱梁顶面的坡度形成，梁底水平；连续梁采用混凝土箱梁，桥面横坡为双向1.5%，由箱梁顶面的坡度形成，梁底水平，钢箱梁标准断面图见图5所示。

钢主梁采用正交异性钢桥面板钢箱梁。箱梁顶板宽度41.6m，设1.5%双向横坡，底板宽度43.123m，横向为平坡，箱梁中心线处外轮廓梁高3.59m；标准节段加劲梁顶板厚度16mm，底板厚度12mm，腹板厚度12mm，牛腿处底板厚度16mm；顶板U形加劲肋厚8mm，上口宽300mm，下口宽170mm，高280mm，间距595mm；底板U形加劲肋厚6mm，上口宽250mm，下口宽400mm，高260mm，间距850mm；加劲扁钢厚14mm，高160mm；标准节段横隔板间距2.9m，吊点处横隔板厚12mm，非吊点处横隔板厚10mm，支座处横隔板厚20mm。

混凝土连续梁跨径布置为31m+62m=93m，全桥共两联。梁高3.5m，桥面宽度34.5m。桥面设1.5%双向横坡，箱梁底宽28.5m，横向为平坡，两侧翼缘悬臂长均为3m，混凝土梁标准断面图见图6所示。

图5 钢箱梁标准断面图(单位：cm)

图6 混凝土梁标准断面图(单位：cm)

标准段箱梁顶板厚度26cm，底板厚度24cm，腹板厚度50cm，箱梁顶板、底板、腹板至中横梁、端横梁附近分别加厚为56cm、54cm、90cm，中横梁宽度为3.5m，端横梁宽度为2.0m。

箱梁采用纵、横双向预应力体系。纵向预应力采用19Φs15.2、12Φs15.2、9Φs15.2三种类型，顶板束采用12Φs15.2及9Φs15.2，腹板束采用19Φs15.2，底板束采用12Φs15.2，锚具采用张拉端锚具、固定端锚具及深埋锚具，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa。19Φs15.2、12Φs15.2、9Φs15.2钢绞线分别采用内径100mm、90mm、80mm的塑料波纹管成孔。底板所有钢束均为单端张拉，固定端采用P锚，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa；腹板及顶板束均为两端张拉，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa。

端部横梁预应力束采用19Φs15.2，两端张拉锚固，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa，采用内径100mm的塑料波纹管成孔。中部横梁预应力束采用19Φs15.2，锚具为深埋锚具且两端张拉锚固，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa，采用内径100mm的塑料波纹管成孔。

3.3 拱肋

主桥拱肋由上肢拱、主拱、边拱和三角刚构四部分组成，除边拱肋、辅助拱肋采用混凝土矩形截面结构外，其余均采用全焊钢箱结构。跨中部分上肢拱与主拱重叠，上肢拱与主拱分离部分通过立柱连接，两片主拱之间通过风撑连接。

边拱采用二次抛物线，矢跨比1/3.804；主拱采用二次抛物线，矢跨比为1/3.0；上肢拱采用两端圆曲线和中间二次抛物线组合，南侧圆曲线半径为600m，北侧圆曲线半径为950m；辅助拱采用两端直线和中间圆曲线组合，圆曲线半径9.5m。

主拱采用矩形钢箱截面，截面宽度3.0m，截面高度4.0m。顶、底板厚度30～28mm，顶底板加劲肋厚20mm，高240mm，腹板厚度26mm，腹板加劲肋厚20mm，高240mm。边拱采用矩形混凝土截面，截面宽度4.0m，截面高度3.0m。

上肢拱采用矩形钢箱截面，截面宽度2.0m，截面高度2.5m。顶、底板、腹板厚度均为12mm，加劲肋厚度12mm，高度140mm，钢混结合段肋加厚加高。

立柱采用矩形钢箱截面，截面宽度1.962m，截面高度2.5m。顶、底板、腹板厚度均为12mm，加劲肋厚度12mm，高度140mm。

风撑采用矩形钢箱截面，截面宽度2.5m，截面高度2.572～2.6m。顶、底板、腹板厚度均为26mm，加劲肋厚度16mm，高160mm。

三角刚构边跨侧拱肋采用二次抛物线，矢跨比1/4.161，主跨侧拱肋采用二次抛物线，矢跨比1/3.804。三角刚构拱肋采用空心矩形截面，截面宽度4.0m，截面高度3.0m，顶、底厚度30cm，腹板厚度55cm。三角刚构主梁采用单箱单室箱梁截面，主梁高度3.5m，横坡为1.5%，顶、底板厚度30cm，腹板厚度40cm，三角刚构构造图见图7所示。主梁纵向预应力采用19Φs15.2、9Φs15.2两种类型，采用两端张拉，锚下张拉控制应力为σk=1340MPa。

图7 三角刚构构造图(单位：cm)

3.4 吊杆锚固系统

吊杆锚固系统分为拱肋锚固系统和主梁锚固系统，本桥充分考虑若干年后更换吊杆的安全性及方便性，采用双吊杆锚固形式，拱肋吊杆锚固系统构造如图8所示，锚固区范围，N1钢板厚度为26mm，N2钢板厚度为20mm，N3钢板厚度为20mm，与拱肋腹板、底板熔透焊接。吊杆力通过N1、N2、N3钢板扩散至钢拱肋上，传递到基础，拱肋锚固系统具有受力明确的特点。

主梁锚固系统采用吊耳板锚固形式，主梁吊耳板是直接承受吊杆力的重要构件，其轧制方向应为主受力方向竖直方向，材料采用S355N的Z向板，主梁吊杆锚固系统构造如图9所示。耳板与传力钢板的对接焊缝应严格按AWS D1.5中受拉焊缝要求进行打磨，并要求100%X射线、100%超声波、100%磁粉探伤，吊耳销孔等消除焊接应力后再加工。

图8 拱肋锚固系统图(单位：cm)

图9 主梁锚固系统图(单位：cm)

3.5 系杆及吊杆

系杆采用成品15-37型钢绞线索，全桥共12根，放置于吊杆横梁上的钢托架处。系杆沿桥面仅有竖向弯折。系杆钢丝束外设双层PE护套，两端均采用冷铸锚。系杆单根成桥索力为2000kN。拱肋上需要预留出孔洞，以便系杆穿过。混凝土边拱索管入口处及钢箱梁端横隔板处均设置有拉索密封系统，其要求应符合《新型拉索密封系统》(Q/IMAA05-2013)的要求。系杆张拉完成后要及时安装锚头防护套并注满防腐油脂，混凝土边拱索管内注入发泡材料。

吊杆采用平行钢丝吊杆和钢丝绳吊杆两种。主拱采用镀锌高强平行钢丝吊杆，充分考虑后期桥梁换索施工，各吊点均采用双吊杆形式设计，全桥共36对，共72根，其中靠近拱座处的第1对和第2对吊杆采用Φ7-85型，其余吊杆均为Φ7-61型。钢丝束外设双层PE护套，吊杆张拉端位于拱肋端，采用冷铸锚，梁端采用U型叉耳式锚头。吊杆在拱肋索管出口处设置减震器。

3.6 钢混结合段

盘锦辽东湾新区内湖中桥全桥共计28个钢混结合段，包括主拱肋拱脚与拱座连接处共4个、立柱与拱座连接处共4个、上肢拱肋与主梁连接处共4个、横撑及K撑与混凝土拱肋连接处共16个。钢混结合段受力复杂，合理结构设计尤为重要，下面主要介绍主拱肋及立柱钢混结合段设计。

主拱肋拱脚处钢混结合段采用承压传力结构形式，钢混结合段主要由定位型钢、上下承压板、预应力钢束组成，其构造如图10所示。定位型钢的作用为方便结合段的安装；上下承压板的作用为力均匀传递至基础；预应力钢束的作用为了保证拱脚完成受压。钢混结合段其传力途径分3步：第1步，通过钢拱肋顶、底、腹板、加劲肋传至承压板；第2步，通过承压板传至拱座；第3步骤，通过拱座传至基础。主要施工流程：通过定位型钢精确定位结合段；预埋预应力钢筋线；浇注一期拱脚混凝土；张拉预应力钢束；浇注二期拱脚混凝土。

图10 主拱肋拱脚处钢混结合段示意图

立柱钢混结合段同样采用承压传力结构形式，钢混结合段主要由PBL剪力键、承压板、预应力钢束、剪力钉组成，承压板下方灌注C50补偿收缩混凝土，其构造如图11所示。钢拱肋通过PBL剪力键和剪力钉与混凝土更好地形成整体，PBL剪力键和剪力钉主要承担剪力，PBL剪力键设置12个直径6cm孔径，孔径穿直径25mm的钢筋，剪力钉布置在承压板下方，规格为Φ22×180mm，布置间距150mm。钢混结合段其传力途径分3步：第1步，通过立柱顶、底、腹板、加劲肋传至承压板；第2步，通过承压板传至混凝土；第3步，通过混凝土传至基础。主要施工流程：定位钢混结合段节段；浇注C50补偿收缩混凝土；张拉预应力钢筋线。

图11 立柱钢混结合段示意图

3.7 基础

Z39和Z44处承台均为矩形承台，外侧承台平面尺寸4.8m×4.8m，高2.0m，每个承台下布置1根直径3.0m钻孔灌注桩，桩长70m，内侧承台平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每个承台下布置4根直径2.0m钻孔灌注桩，桩长70m。

Z40和Z43处承台均为矩形承台，外侧承台平面尺寸17.0m×10.75m，高4.0m，每个承台下布置6根直径2.5m钻孔灌注桩，桩长80m，内侧承台平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每个承台下布置4根直径2.0m钻孔灌注桩，桩长70m。

Z41和Z42处承台均为矩形承台，外侧承台平面尺寸17.5m×17.0m，高5.0m，每个承台下布置9根直径2.5m钻孔灌注桩，桩长80m，内侧承台平面尺寸8.4m×8.4m，高4.0m，每个承台下布置4根直径2.0m钻孔灌注桩，桩长70m。

4 结论

盘锦辽东湾新区内湖中桥主桥采用系杆拱桥与连续梁的组合体系，跨径布置为31m+62m+200m+62m+31m=386m，桥梁具有设计独特、结构形式新颖、造型美观等特点，重点从拱肋、主梁、吊杆锚固系统、系杆及吊杆、钢混结合段、基础等方面介绍桥梁设计要点，合理解决设计中的难点，优化桥梁结构受力。盘锦辽东湾新区内湖中桥已于2016年建成通车(见图12)，建成后成为盘锦市地标性建筑，取得良好的社会效应。

图12 建成的盘锦辽东湾新区内湖中桥