城市新型景观拱桥设计研究

廖 鑫 夏 枫

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010)

拱桥因线形流畅轻盈、跨越能力大、景观装饰效果好、施工工艺成熟等特点，被广泛运用在城市景观桥梁的建设中[1]。近年来，桥梁设计人员对下承式拱桥进行了系统的研究[2-3]，获得了拱桥各关键部位的受力特征，并在此基础上提出了众多新颖的设计方案，推动了拱桥的发展。何宾旺等[4]以深圳某景观拱桥为工程依托，采用有限元数值模拟，在引入材料非线性和几何非线性的基础上，开展了多种运营工况下的拱桥承载能力计算，研究了不同荷载下拱脚的应力变化特征，计算结果表明，拱桥的拱脚在达到正常使用荷载4.71倍的极限荷载时，将出现屈曲破坏，破坏形式为塑性破坏。李继军[5]以一座跨径为135 m的下承式拱桥为研究背景，采用有限元软件midas对拱桥的拱肋、吊杆、桥面梁等方面进行了分析，论述了下承式拱桥的设计关键点，并给出了此类拱桥的设计参考建议。曹春明等[6]根据组合梁系杆拱桥的特点并结合桥位处行车荷载大的特点，提出一种新型横梁的设计方法对组合梁系杆拱桥进行了改进，并通过在桥面系中设置合理的预应力平衡系杆拱桥的巨大推力，改进后的桥型受力性能良好，实用性强。

目前现有的下承式景观拱桥的主要组成部分包括：供车辆通行的主梁，主梁上方的承重拱肋，拱肋与主梁之间的吊杆、主梁之间起横向联系作用的横梁、拱脚部位的拱座，以及拱座下方的基础。主梁上方的承重拱肋为拱桥的关键受力构件，不仅需承受自身及主梁的自重，还需承受主梁上的汽车活载、温度荷载、风荷载及拱座基础沉降荷载等多种荷载，因此在最不利荷载作用下，拱肋的应力较大，导致拱肋的钢板厚度较大，并且拱脚处需设置复杂的锚固系统来平衡巨大的内力[7-8]。由此导致了拱脚处的施工工序较为复杂，并且整个拱桥的工程造价较高。

拱肋与主梁之间的吊杆除了受到主梁的自重及其他活载外，在整个桥梁运营阶段还会受到振动荷载和冲击荷载，在长期周期性的振动和冲击荷载作用下，吊杆的安全系数降低，抗疲劳破坏能力大幅度减弱[9-10]。

针对以上的拱桥现状和受力特点，本设计提出一种新型景观拱桥，不仅能够保证拱肋的拱脚和吊杆均处于较低的应力水平，使拱脚构造尺寸优化，施工更简单，并且造型更加优美，同时避免了拱桥吊杆的疲劳病害，具有一定的工程实用价值。

1 工程概况

某城市景观桥，跨越公园内的湖泊，道路等级为城市主干道，总跨径为360 m，双向通行六车道，桥面总宽度50.0 m，宽度功能分区划分为：7 m人行道(含景观装饰区)+5 m非机动车道+26 m机动车道(含绿化带)+5 m非机动车道+7 m人行道(含景观装饰区)，设计荷载为城-A级。

桥梁位于城市公园内并且跨越湖泊，对景观装饰要求较高，为了让桥型充分融入到周围湖景中，达到桥梁造型新颖，线条优美，不同视角景观效果流线型感强的目的，提出一种新型装饰景观拱桥，在取得最大景观装饰效果的同时，优化降低拱肋和吊杆应力水平，使桥梁的拱肋和桥面体系受力更合理，避免桥梁运营过程中的拱肋和吊杆病害，并且简化施工工艺，降低工程造价。该景观拱桥效果图见图1。

图1 新型景观拱桥效果图

2 新型景观拱桥方案设计

2.1 总体设计

为了降低拱桥吊杆成桥后所受到的拉应力，并将拱肋截面尺寸及厚度优化得更为轻薄，主桥的单孔跨径布置为40 m，3孔为1联，全桥共3联，各联之间设置伸缩缝。桥梁全长360 m，桥梁采用双幅桥进行设计，每幅桥宽24.99 m，双幅桥之间的横向间隙为0.02 m，总宽50 m。主桥的桥面主梁采用现浇斜腹板预应力混凝土箱梁，箱梁为单箱4室斜腹板箱型截面，下部结构采用花瓶墩，主梁上方采用拱肋和吊杆进行景观装饰，拱肋采用钢箱梁结构，以反对称的形式左右交替跨越主梁桥面系，每片拱肋中心线与混凝土箱梁的中心线斜交，水平斜交角度为31°，单片拱肋的跨径长130 m，双幅主梁上方共设置3片拱肋，3片拱肋共设置2个双拱肋拱座和2个单拱肋拱座。拱肋与主梁连接立体设计图见图2。

图2 拱肋与主梁连接立体设计图

变截面钢箱拱肋以反对称的形式左右交替跨越主梁桥面系，由此导致吊杆与主梁竖向交角不等于90°，因此为了控制吊杆在人行道处的净空，桥梁总宽度保持50 m不变，将7 m全宽的人行道划分为两部分，即内侧人行道宽度3 m+外侧拱肋吊杆锚固区宽度4 m，并对吊杆锚固区进行景观绿化处理，设置绿化带及景观花坛，景观花坛宽度为4 m，沿桥长方向全线连续布置，单个花坛的纵向长度区间为15～20 m，景观花坛中种植不同颜色的花草植物，吊杆锚固区景观布置示意图见图3。

图3 吊杆锚固区景观布置示意图

2.2 拱肋系统构造设计

变截面拱肋系统线、顶板、底板线形按悬链线进行设计，对于拱肋轴线：矢跨L=130 m，矢高f=32.5 m。

拱肋采用高度和宽度均变化的变截面箱形结构，拱顶截面尺寸高度为1.5 m、宽度为3.0 m，拱脚截面尺寸高度为2.5 m、宽度为5.0 m，拱肋钢结构腹板的厚度采用12，14 mm 2种，腹板沿纵向布置4道加劲肋，拱肋顶、底板厚度采用10，12，14 mm 3种，顶底板沿纵向布置9道加劲肋，钢箱拱肋横截面布置图见图4。

图4 拱肋典型横截面布置图(单位：mm)

全桥3孔拱肋共设置52根吊杆，第1孔拱肋设置16根，第2孔拱肋设置18根，第3孔拱肋设置18根，跨中相邻吊杆之间距离设置为1 m，其他吊杆间距设置为5 m。吊杆均采用Φ5mm-55低松弛预应力镀锌钢丝，其抗拉标准强度为1 570 MPa，松弛值1 000 h应力损失<7.5%，外观直径55 mm。每根吊杆两端设置吊杆锚头，桥面处锚头为张拉端，拱肋处锚头为固定端，单端张拉。单孔吊杆与拱肋、主梁的连接立面图见图5。

图5 单孔吊杆与拱肋、主梁的连接立面图(单位：mm)

吊杆拱上锚固与主梁上锚固均采用锚拉板形式，拱肋内锚拉板对应位置设置吊点隔板。主梁上锚固的锚拉板预埋在主梁的吊杆锚块中，吊杆锚块为钢筋混凝土结构，与主梁一同现浇，吊杆锚块的设置数量及设置位置见图2，吊杆在施工张拉索力时，根据吊杆的倾斜角度令索力的竖直分力张拉等于主梁上吊杆锚块的自重力。张拉力合理设置后，拱肋仅承受很小部分箱梁上的荷载，拱肋在相同的跨度下截面尺寸和厚度可以得到优化，拱肋板厚可明显降低，减轻自重。并且运营阶段吊杆的应力低，吊杆耐久性幅度提高，吊杆抗疲劳破坏性能提升。拱肋在运营阶段基本不承受混凝土主梁的恒载和活载，降低了拱脚截面处的弯矩和应力水平，拱脚处无需张拉轴向预应力，仅需用钢结构承压板加钢结构剪力键与拱座相连，在简化了拱脚构造和施工工艺的基础上，保证拱脚受力的合理性，拱脚构造图见图6。

图6 拱脚构造图(尺寸单位：mm)

拱脚处将PBL剪力键设置在开孔板上，同时在垫板上焊接锚固钢筋。拱脚的腹板设有PBL剪力键钢筋，顶板、底板内外加劲肋处设有PBL剪力键钢筋，开孔直径为60 mm，穿过钢筋为直径20 mm的HRB400钢筋。拱脚焊于支撑垫板，垫板厚度30 mm，垫板中间开孔4 200 mm×2 846 mm，垫板底面环向焊接有直径20 mm的HRB400锚筋。对应拱脚腹板位置，垫板底面焊接T肋，T肋高500 mm，其腹板、翼板厚度为16 mm，T肋腹板设有PBL剪力键钢筋，开孔直径为60 mm，穿过钢筋为直径20 mm的HRB400钢筋。

2.3 主梁及桥墩构造设计

单幅现浇预应力混凝土主梁采用单箱四室斜腹板箱型截面，箱梁高2.2 m，单幅顶板宽为24.99 m、底板宽18.50 m，两侧翼缘悬臂长度为2.75 m，悬臂端部厚0.22 m，根部厚0.65 m，不设横向预应力，箱梁跨中顶底板厚度为0.25 m，腹板厚度为0.5 m，纵向预应力体系为直径15.2 mm的钢绞线并预埋金属波纹管，主梁一般构造图见图7。

图7 主梁一般构造图(单位：cm)

主梁下方的承重桥墩采用花瓶墩，花瓶墩下方接承台，承台下方设置钻孔灌注桩基础。单个桥墩纵桥向长度为2.2 m，横桥向顶部宽度为7.6 m、底部宽度为4.6 m，每个桥墩横向中心线处设置2个花瓶墩。承台为钢筋混凝土结构，高度为2.5 m，纵桥向长度为3.5 m，全桥桩基按摩擦桩进行设计，桥墩一般构造图见图8。

图8 桥墩一般构造图(单位：cm)

2.4 施工

本桥型中由于吊杆张拉力的合理设置，能使拱肋截面能够得到优化，进而降低了拱脚截面处的弯矩和应力水平。拱脚处无需张拉轴向预应力，仅需用钢结构承压板加钢结构剪力键与拱座相连，在简化了拱脚构造和施工工艺的基础上，能保证拱脚受力的合理性，并且运营阶段吊杆的应力低，吊杆耐久性幅度提高。施工时首先浇筑混凝土主桥的基础、桥台、桥墩、主梁。其次对钢结构装饰拱肋的各构件进行加工，浇筑各拱脚处的基础及拱座混凝土，之后搭设拱肋拼装支架，从拱脚向拱顶依次采用汽车吊装拼接主拱节段，安装主拱临时侧倾定位吊杆系统，从跨中向两侧拱脚对称拆除拱肋拼装支架，从跨中至支点安装并张拉吊杆，张拉吊杆时，吊杆张拉力的竖向分力设置为与吊杆锚块的重力相等。最后对全桥钢结构装饰拱部分进行整体涂装，并施工桥面附属设施。由于拱肋应力水平较低，拱肋钢箱的钢板厚度较小，可大幅度降低钢材用量，节省工程造价，整个桥梁施工完成后可作为城市标志性建筑物。

3 结构计算

3.1 静力分析

由于篇幅限制，仅给出钢拱肋的结构计算分析过程，采用midas Civil 2020建立空间梁单元模型，根据无铰拱体系开展结构分析，单片拱肋共80个节点，79个梁单元。计算荷载为：拱肋自重、吊杆力(100 kN)、风荷载(百年一遇)、整体升温25 ℃、整体降温25 ℃、梯度温度、基础沉降3 cm。

1) 恒载。恒载包括变截面钢箱拱肋及其焊缝的总重。

2) 温度荷载。整体升温25 ℃；整体降温25 ℃。

3) 风荷载。根据JTG D60-2015 《公路桥涵设计通用规范》规定，桥梁运营期桥位处风速为23.9 m/s(百年一遇)，换算为横向静阵风荷载为3.18 kN/m。

4) 吊杆力。拱肋由于受到吊杆的拉力，各吊杆的拉力位置不在同一平面上，会对拱肋受力和稳定性产生影响，拱肋计算模型中吊杆拉力取100 kN，按照吊杆的空间方向分解为竖向力和垂直于拱肋平面的水平力进行相应的分析。

根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》的规定，采用以下4种最不利荷载组合进行计算分析：

1) 1.1×恒载+1.2×吊杆力+1.4×升温+1.1×静风荷载+1.0×沉降。

2) 1.1×恒载+1.2×吊杆力+1.4×降温+1.1×静风荷载+1.0×沉降。

3) 1.0×恒载+1.0×吊杆力+0.8×升温+0.75×静风荷载+1.0×沉降。

4) 1.0×恒载+1.0×吊杆力+0.8×降温+0.75×静风荷载+1.0×沉降。

荷载作用下结构变形表见表1。

表1 结构变形表 mm

计算结果表明：

1) 吊杆力作用下主拱最大竖向挠度为

fmax=0.015 m

2) 百年横风作用下，主梁最大横向挠度仅0.06 m，满足规范要求。

根据JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》，钢结构强度验算按极限状态法，取拱肋重要系数γ0=1，钢材强度设计值为275 MPa，Rd/γ0=250 MPa，拱肋各荷载组合强度验算汇总表见表2。

表2 拱肋各荷载组合强度验算汇总表 MPa

计算结果表明，各种组合下拱肋强度验算均满足规范要求。

正常使用极限状态下拱肋应力图见图9。

图9 正常使用极限状态下拱肋应力图(单位：MPa)

3.2 动力及地震分析

动力分析中，坐标系的定义原则为：桥梁长度方向为x轴，桥梁横向为y轴，竖直方向为z轴。全桥共提取40阶模态，拱肋动力自由振动性状表见表3。

表3 拱肋动力自由振动性状表

根据国家质量技术监督局发布的GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，项目区地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为VI度。

地震荷载方向组合采用CQC法，荷载组合为x+y(考虑2个方向)。x、y向按规范分别采用不同的加速度反应谱计算，主拱正常使用极限状态下拱肋应力图见图10。

图10 正常使用极限状态下拱肋应力图(单位：MPa)

计算表明：主拱E1组合下最大组合应力为15.46 MPa，且无拉应力，满足规范要求。

上述结果表明，钢结构拱肋的静力、动力、抗震等各项力学性能均满足相关规范要求。

4 结语

本桥型方案中拱肋在相同的跨度下截面尺寸和厚度可以得到优化，拱肋板厚可明显降低，减轻自重。并且运营阶段吊杆的应力低，吊杆耐久性幅度提高，吊杆抗疲劳破坏性能提升。拱脚处无需张拉轴向预应力，仅需用钢结构承压板加钢结构剪力键与拱座相连，在简化了拱脚构造和施工工艺的基础上，保证拱脚受力的合理性。

有限元计算结果表明新型景观拱桥设计方案拱肋的静力、动力、抗震等各项力学性能均满足相关规范要求。