纵横梁体系全钢系杆拱桥总体设计

任清顺，张胡芝，夏东旭，甘岚

（四川西南交大土木工程设计有限公司，成都 610031）

1 项目背景

通济桥位于成都市天府新区华阳镇，横跨府河，是连接府河东西片区的重要交通要道。该桥是原桥被洪水冲垮后的新建桥梁，原桥为7孔实腹式石拱桥，桥宽10 m，又名中兴桥，修建于清朝道光五年（1825年），是川西历史文物古桥，于2010年遭遇罕见洪水主桥墩被冲垮，两岸交通绕行较远，严重阻碍了交通。

在延续原桥历史人文内涵的前提下，为适应新时代发展需求，新建通济桥采用单孔下承式系杆拱桥（见图1），主跨为148 m，桥宽30 m。设计洪水频率为200 a一遇[1]。

图1 成桥实景图

2 主要技术标准

1）道路等级：城市次干道。

2）设计时速：30 km。

3）设计活载：城-A级。

4）桥面布置：桥宽30 m，双向4车道+非机动车道+人行道。

5）桥下通航标准：Ⅵ级航道，单孔双向净空尺度为50 m（底宽）×43 m（顶宽）×6 m（净高）。

6）设计洪水频率：P=0.5%，对应的设计洪水位为476.90 m。

7）结构设计基准期：100 a。

8）地震动峰值加速度：0.10g；场地特征值周期：0.45 s。

3 场地条件

通济桥位于华阳街道办锦江社区西，横跨府河，呈东西走向。桥位处地貌单元为成都平原岷江水系一级阶地，地形平坦、开阔。

场地位于成都市，属亚热带季风型气候，风向以北稍微偏东的风向为主导，风速常年平均值为1.2 m/s，年雨量主要集中在7~8月份，全年平均降雨量处于900~1 000 mm。

桥位处锦江河道现状宽度约85 m，规划河道宽120 m，往双流岸偏移，河道上下游均为规则的河堤。锦江此段常水位高程为472.79 m，设计洪水频率为200 a一遇时，洪水位高程为476.90 m。航道为Ⅵ级航道，而且由于桥位斜跨河道，经通航论证，采用一跨过河的方式进行桥型设计。通常主孔跨度首先要满足桥下通航要求，还要考虑主墩防船撞的安全[2]。因此，受场地条件控制，本桥主桥跨度为148 m。

综合考虑桥位处特殊的历史人文环境，结合新时代下人们对美好建筑的向往，秉承继往开来的人文精神，桥型选用单孔下承式系杆拱桥，景观上保留原桥的拱形，结构造型简约、流畅，刚柔并济，曲线优美，寓意该桥成为联结新旧时代的交通纽带和人文历史的传承。

4 桥梁总体设计

桥梁总体设计按照安全、耐久、适用、环保、经济和美观的原则进行[3]。

4.1 线路平纵设计

根据场地规划线路中线，结合道路交叉口现状和通航要求，线路与河道呈斜交25°布置。

规划线路宽度为30 m，主桥考虑行人和非机动车过桥，桥宽设计为30 m，引桥受两侧既有建筑物控制，桥宽设计为19 m。

受桥下通航因素以及两岸引道桥下通行净空限制，全桥线路纵坡均采用6%，桥下通航净高按6 m设置，以满足200 a一遇最高洪水位通航要求。全桥总长331.44 m，其中，主桥全长262.44 m，主桥采用一跨过河的下承式系杆拱桥方案，引桥采用预应力混凝土连续梁桥方案。主桥人行道和非机动车道于主桥两端接缓梯道下地，不经过引桥，为增大底层道路空间利用率，引桥桥墩为独柱式Y形墩。

4.2 横断面设计

主桥桥梁全宽30 m，桥梁横向断面布置为：两侧各布置3.5 m宽人行道、2.0 m宽吊杆保护区及2.0 m宽停车带，车行道宽14 m双向通行，桥面设1.5%的“人”字横坡，如图2所示。引桥桥宽19 m，路幅布置为0.5 m防撞墙+2 m停车带+14 m车行道+2 m停车带+0.5 m防撞墙。

图2 主桥横断面图（单位：cm）

4.3 主拱圈方案比选

根据既定的全钢系杆拱桥方案，梁体采用钢梁，结合业主的景观需求，在同等跨径、桥宽布置下，对拱圈进行方案比选。设计2种不同的主拱方案，如图3、图4所示。

图3 箱型截面钢拱圈方案

图4 钢管桁架拱圈方案

图3 所示箱型截面钢拱圈受力明确，线条简单大气，涂装红色，显得活泼有朝气。实际工程中使用较多。施工技术成熟，难度相对较低，施工工期短，造价相对较低。

图4 所示钢管桁架拱肋由多根细钢管通过连接构件相连形成桁架式拱肋，其造型新颖，线条多样。但是拱肋各构件受力较复杂，局部失稳等问题较多，且2片拱肋之间不能设置横承，整体受力较差。拱肋结构对施工工艺要求较高，工期较长，造价较高。

通过比选，最终选择图3所示钢箱矩形截面主拱方案作为实施设计方案。

4.4 桥跨布置

新建通济桥桥梁全长331.44 m，是孔跨布置为2×28.5 m+148 m+28.5 m+28.94 m的下承式系杆拱桥，与河道斜交布置，受桥位处通航及行洪控制，主桥跨径为148 m。东、西两岸引桥分别为2×28.5 m和28.5 m+28.94 m的两跨预应力混凝土连续梁桥。桥型布置如图5所示。

图5 桥型布置图(单位：cm）

4.5 主桥主要结构设计

4.5.1 加劲梁设计

加劲梁按纵、横梁结构体系钢梁设计，梁长152.9 m，高2.5 m，局部拱粱结合段处高度采用线性过渡至3.5 m。2片箱型主纵梁左右间距为21 m，横梁纵向按3.0 m间距布置；主纵梁宽度为2 m。横梁设计为“工”字形截面，腹板厚14 mm，下翼缘板厚度16～18 mm，顶板为桥面板。端部拱梁结合段处横梁采用单箱双室箱型截面，用以保证结构的整体性能。主梁施工方法为工厂制造节段，现场拼装施工，采用的纵横向节段划分的方式有效地解决了施工现场的运输和拼装问题[4]。

4.5.2 钢箱拱肋设计

左右拱肋平行布置，横向间距为21 m；拱肋采用悬链线线型设计，拱轴系数为1.5，计算跨度148 m，矢高37 m，矢跨比为1∶4。拱肋结构按箱型截面设计，横向2.0 m，等宽，截面高度由拱顶的2.0 m渐变至拱脚的3.5 m，截面厚度系数为n=0.274 090 43。横向两拱肋间沿纵向按间距33.0 m，共布置3道横撑，横撑为单箱单室截面，顶、底板及腹板钢板厚度均为16 mm。采用节段预制拼装施工，最大节段长度为41 m，吊装质量为76.65 t。

4.5.3 系杆设计

横桥向在拱肋对应位置均设4束可更换式环氧涂层型钢绞线成品系杆。单根索体均采用直径为15.20 mm，抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，每根索体由37根钢绞线外套PE（聚乙烯）组成，每根钢绞线均喷涂环氧涂层。每根系杆公称截面面积为5 143 mm2，破断力为9 570 kN，安全系数均大于2.5。系杆采用可更换式锚具体系直接锚固于拱粱结合段后隔板处。

系杆采用分次张拉工艺施工，与主拱加载程序相匹配，其作用为平衡拱肋恒载推力，提高结构受力安全储备。

4.5.4 吊索设计

本桥共包含15对吊索，纵向布置间距为9.0 m。吊索采用喷涂型环氧钢绞线束，每根吊索由19根标准抗拉强度为1 860 MPa的φs15.20 mm喷涂型环氧钢绞线组成，公称截面面积2 641 mm2，破断力为4 915 kN，采用挤压型锚具。吊索两端均采用销铰式分别与主梁和拱肋连接，张拉端位于梁顶处。

4.6 下部结构设计

主桥承台采用整体式承台，下部设12根直径为1.8 m的钻孔桩，按嵌岩桩设计。主桥下部结构采用盖梁柱式墩。

交界墩为墩柱+盖梁形式，盖梁为矩形截面，3个间距10.5 m、直径2.5 m的墩柱与盖梁连接，基础为桩基。

4.7 主桥夜景照明设计

主桥主拱圈采用红色，寓意原桥丰富的历史人文特色，夜景照明通过桥面灯光点缀烘托出主拱肋、主梁及吊杆等主要结构构件，结合时空及色彩，对桥梁景观效果进行深层次展现，将全桥主拱肋优美的曲线线条呈现出来，简洁的灯光点缀，同时，赋予桥梁结构一定的现代化气息，使得主桥结构与周围环境融为一体，整体协调统一。通济桥主桥夜景照明效果如图6所示。

图6 通济桥主桥夜景照明效果

5 结语

通济桥大桥设计过程中，本着结构安全可靠、经济、美观的设计原则，兼顾结构技术和人文艺术，延续原桥特定的历史人文特色，结合现代化城市桥梁特色，景观造型上保留原桥拱形，结构线条简洁流畅，刚柔并济，在确保结构安全可靠的交通功能前提下，实现了人文历史的传承。大桥的建成通车，不仅为洪水泛滥的锦江府河段两岸交通提供了便利，也为天府新区的区域建设增加了一道靓丽的城市风景。大桥已于2015年8月建成通车。