某跨湖桥方案比选及结构设计

陈子豪

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080）

0 前言

随着粤港澳大湾区开放合作的驱动，国际性的科教创新枢纽项目得到快速发展，其中中新广州知识城处于白云国际机场与广州第二机场之间，具有构建枢纽快线及地标的定位功能［1］。根据路网结构中的位置及交通量预测结果，本工程功能定位为知识城西部贯穿南北的交通干道，承担大量区内交通，服务周边功能片区，并通过于快速路节点有效疏导区内交通与对外交通。

本工程跨越某规划人工湖，如图1所示，是集雨洪调蓄、生态、景观、功能于一体的城市中心公园，湖底高程36.0 m，设计洪水位为38.5 m，根据规划该湖无通航设计要求。桥位的选择根据总体路线走向，并结合该地区发展规划定位要求，采用大跨跨越。

图1 项目位置Fig.1 The Project Location

该跨湖桥作为环湖景观带中一个标志性景点，项目的建设对整个环湖景观的提升起到了画龙点睛的作用，同时也完善了该地区的慢行交通系统，优化了周边的公共基础设施，激发了城市活力，形成了一个多层次的、立体化的环湖旅游观光带，使该地区真正成为一个绿色、低碳、高效便捷的生态宜居新城［2］。本文通过分析影响桥梁建设的多种因素，介绍了该跨湖桥方案比选及结构分析的主要过程。

1 桥型方案比选及设计

大桥所处位置道路红线宽度50 m，如图2 所示，双向六车道，设计速度为60 km∕h。道路南侧的湖堤两侧各预留4 m 宽的环湖绿道位置，同时设置6 m 宽防汛路与道路进行衔接。该跨湖桥的设计主要满足规划需求及地标景观需求。同时与周围环境、现状结构物以及城市规划发展目标和谐统一，服从片区整体规划要求及交通路网的总体布置。

图2 道路平面Fig.2 The Road Plan （m）

桥梁景观设计时着重思考片区规划对桥梁景观的要求、行人对桥梁构造的需求与感受以及桥位整体建设条件的限制等因素［3］。综合该人工湖景观工程美观性、实用性及本工程防洪、造价要求等各方面考虑，结合桥底与环湖园路的净空不小于2.5 m 的要求。本次设计以钢筋混凝土葵花拱桥和预应力混凝土连续梁桥作为桥型比选。

1.1 钢筋混凝土葵花拱桥

1.1.1 总体布置

跨径组合为（10+3×40+10）m，与道路中心线的夹角为90°，全长146 m，分成两幅，桥面总宽度为40 m。方案1效果如图3所示，外倾拱圈如同葵花绽开，寓意着万物向上，欣欣向荣，祝愿城市美好向上。多跨葵花拱桥的造型美观，大拱叠合小拱增添了丰富的层次感，犹如碧波层叠。

图3 方案1效果Fig.3 The Design Sketch of Scheme 1

边拱的设计极具张力，像似舞动的丝绸，灵动飘逸，赋予了结构生命力，增加了知识城的科技感和幸福感，象征着幸福生活延绵不绝，也象征着广州“丝绸之路”的核心枢纽位置。

1.1.2 上部结构

如图4⒜所示，主桥上部结构采用3×40 m 上承式钢筋混凝土葵花形拱桥。如图4⒝所示，横断面布置为3.0 m 人行道+2.5 m 非机动车道+11.5 m 机动车道+0.5 m 防撞栏+5.0 m 中央隔离带+0.5 m 防撞栏+11.5 m机动车道+2.5 m自行车道+3.0 m人行道=40 m。

图4 方案1纵断面及横断面Fig.4 The Profile View Cross Section of Scheme 1 （cm）

纵梁半幅全宽17.5 m，为实心等截面梁。桥面设置2%的横坡，横坡由箱梁斜置调整，底板、顶板保持平行。纵梁梁高0.8 m，箱底宽10.85 m，两侧悬臂翼缘板宽3.075 m，悬臂根部高度0.7 m。主拱拱轴线采用四次抛物线，为实心板拱，宽度为10.35 m，拱脚处截面高0.9 m，拱顶处截面高0.9 m，矢跨比为1∕7。腹拱拱轴线采用椭圆线，为实心板拱，宽度为10.35 m，矢高1∕5.3，腹拱厚度均为0.7 m，与主拱固结。

引桥为10 m 预应力混凝土空心板，单幅由2 片边板和11片中板组成。预制板宽为1.24 m，边梁预制板宽为1.87 m，悬臂长为0.63 m。相邻两片梁间距为1.25 m。采用吊装施工，现浇层厚为15 cm，混凝土等级为C50。桥梁与环湖路相交处最小净空高度满足净空2.5 m 的控制要求。桥面铺装采用10 cm 沥青混凝土铺装。

1.1.3 下部结构

中墩墩身采用矩形截面实体墩，最小厚度为2.5 m，侧立面采用圆倒角接顺主拱弧线，墩身横桥向与主拱同宽为11.35 m。单幅桥桩基础采用6 根直径180 cm，承台厚度为2.7 m。

边墩为拱座+板墩形式，墩身厚度为1.8 m，墩身横桥向宽为17.5 m。桥台采用一字台，由于桥梁中央分隔带设有待建综合管廊，桥台需分幅布置，因此中央分隔带设有挡土板，保证桥下环湖园路畅通。边墩与桥台共用基础，单幅桥桩基础采用12 根直径160 cm，承台厚度为3 m。

1.2 预应力混凝土连续梁桥

1.2.1 总体布置

跨径组合为（10+35+50+35+10）m，与道路中心线的夹角为90°，全长146 m，分两幅，桥面总宽度为40 m。方案2 效果如图5 所示，拱圈线形优美、造型简约、成熟稳重。体现了低调、甘愿默默奉献的精神。象征着知识一直为人类默默奉献，体现出知识城“俯首甘为孺子牛”的高尚情操。

图5 方案2效果Fig.5 The Design Sketch of Scheme 2

1.2.2 上部结构

如图6⒜所示，上部结构主桥采用（35+50+35）m预应力混凝土连续梁桥。如图6⒝所示，横断面布置为3.0 m 人行道+2.5 m 非机动车道+11.5 m 机动车道+0.5 m 防撞栏+5.0 m 中央隔离带+0.5 m 防撞栏+11.5 m机动车道+2.5 m自行车道+3.0 m人行道=40 m。

图6 方案2纵断面及横断面Fig.6 The Profile View Cross Section of Scheme 2 （mm）

连续梁桥采用单箱双室，箱宽12.9 m，翼板悬臂2.3 m，全宽17.5 m。箱梁支座处高320 cm，底板厚度为42 cm，腹板为70 cm，顶板厚度为45 cm；箱梁端部及跨中高180 cm，底板厚度22 cm，腹板为40 cm，顶板厚度为25 cm。箱梁高度采用抛物线方式从箱梁根部高3.2 m变化至端部及跨中高1.8 m。引桥同方案1。

1.2.3 下部结构

主桥采用圆端形实体墩。单幅桥过渡墩基础采用2根直径200 cm钻孔灌注桩，转换台厚度为200 cm；单幅桥主桥桥墩基础采用2 根直径220 cm 钻孔灌注桩，转换台厚度为220 cm。引桥桥墩采用双柱式墩，墩柱均为矩形截面。盖梁顶横坡与桥面横坡保持一致，支座垫石顶面水平，以保证支座水平放置。

1.3 桥型方案比较

从设计施工应用情况对比两种方案，连续梁桥设计施工应用较普遍［4］。方案1分幅布置，受力明确，便于施工和养护，同时大拱小拱套合，可以减小桥面系跨度。葵花拱桥方案受力性能优越［5］，梁庆学等人还进行了设计优化分析［6］，像广州南沙凤凰二桥葵花形叠拱桥采用的复合支架多孔对称施工方式也取得了成功应用［7］。采用先梁后拱的支架方法［8］，现场拼装施工临时支墩、搭设支架，现场分段浇筑系梁及拱脚，后在系梁上搭设支架施工主拱，再安装吊杆，最后擦除临时支撑［9］。桥梁所处场地为未开挖排洪出口，且无通航要求，满足支架施工条件。并且为缩短工期以及便于施工，桥梁两端10 m 跨径桥型采用预应力混凝土空心板。

现场具备支架施工条件，两种方案施工周期没有明显差别，但方案1 尽可能减小了桥梁梁高，在满足梁底净空要求的条件下可以减小桥梁两端道路标高，有利于减少项目整体投资。

葵花拱桥拱座和两侧相邻的拱圈形成了一个正在展翅飞翔的“海燕”，连拱之间相互依托，酷似众多“海燕”并排在一起振翅高飞。同时，微风拂面，湖面碧波荡漾，与大桥遥相呼应，醉人心弦，在实现桥梁沟通两岸作用的同时，也满足了建筑为人所享的特点，体现了以人为本的设计思路，与人工湖的自然山色相得益彰，互为呼应，构成一幅美丽现代的山水城市画，突出了该人工湖的人文景观特色。

以上详细介绍了两种方案的设计施工特点、施工周期及景观特点，表1 对以上指标进行了汇总。方案1 造型美观，给周围环境增添了生动活泼的生气，施工方便、结构合理，非常适合该人工湖这种无通航要求的江面。同时投资最少，与知识城的金融文化相融合。经过综合比较，推荐采用方案1 钢筋混凝土葵花拱桥。

表1 方案对比Tab.1 Comparison of Schemes

2 主桥结构分析计算

2.1 模型建立

推荐桥型跨径组合为（10+3×40+10）m，全长146 m，分两幅，桥面总宽度为40 m。采用MIDAS Civil 8.6.5程序进行推荐方案主桥上部结构计算，计算模型如图7所示，钢箱梁采用梁单元进行模拟，单元长度按1 m设置，共1 381个单元，1 415个节点。

图7 主桥计算模型Fig.7 The Calculation Model of Main Bridge

2.2 上部结构挠度计算

如表2 所示，分别计算主拱圈、中腹拱圈及边腹拱圈在荷载频遇组合、活载频遇组合下考虑长期效应的挠度。同时根据文献［10］第6.5.3条计算L∕1 600及L∕600。计算结果荷载频遇组合计算值都大于文献［10］值，根据要求应设置预拱度。活载频遇组合计算值都小于文献［10］值，满足要求。

表2 上部结构挠度Tab.2 The Deflection of Superstructure

2.3 主腹拱圈结构验算

根据文献［10］第4.4.10 条，主拱圈及腹拱圈应验算拱脚、拱顶、3∕8 拱跨3 个截面。主拱圈的计算长度1 515.2 cm，中腹拱圈的计算长度505.8 cm，边腹拱圈的计算长度338.8 cm。对拱圈的受压段以压弯构件进行验算，对受拉段则按照拉弯构件进行验算，如表3所示，主拱圈及腹拱圈不同位置的弯矩计算值均小于设计值，并且裂缝宽度均小于0.2 mm，满足文献［10］要求。

表3 主腹拱圈验算Tab.3 The Checking of Main Web Arch Structure

根据文献［10］第5.2.12 条，主拱圈及最腹拱圈最大剪力验算满足斜截面抗剪验算。综上，主拱圈及腹拱圈结构各项承载力及裂缝宽度验算满足文献［10］要求。

2.4 纵梁结构验算

如表4所示，分别进行纵梁上缘0～30 m、110～140 m及下缘承载力及裂缝验算，不同位置的弯矩计算值均小于设计值，并且裂缝宽度均小于0.2 mm，满足文献［10］要求。在基本组合作用下，最大剪力为6 628.3 kN，抗力为20 669.7 kN，富余212%。

表4 纵梁验算Tab.4 The Checking of Longitudinal Beam

结构在频遇组合下，考虑长期效应影响后的最大的竖向挠度值为49.01 mm，根据文献［10］要求，应设置预拱度；由活载频遇组合产生的结构竖向的挠度最大值为7.96 mm，小于文献［10］要求的23.3 mm 的限值，满足要求。

2.5 桥墩及桥台结构验算

桥墩纵向最小厚度250 cm，横向宽度（扣除装饰翼板）与拱肋等宽，为1 085 cm。桥台台身纵向厚度150 cm，横向宽度为1 750 cm。进行桥墩及桥台结构验算，如表5所示，不同位置的弯矩计算值均小于设计值，并且裂缝宽度均小于0.2 mm，满足文献［10］要求。

表5 桥墩及桥台结构验算Tab.5 The Checking of Pier and Abutment

根据文献［10］第5.2.12条，主墩、过渡墩及桥台的剪力无需进行斜截面抗剪验算，只需要按照文献［10］要求构造配筋。

2.6 桥台悬臂梁验算

由于两幅桥台之间设置了综合管廊，导致承台与桥台不同宽，桥台有2.05 m 的悬臂梁段。该悬臂梁段不仅承受自重、侧向土压力，还承受桥台与过渡墩之间的填土的土压力。分别计算受自重和向下土摩擦力荷载1 及受侧向土压力荷载2 下弯矩及剪力，如表6 所示，结果表明计算值均小于抗力设计值，满足文献［10］要求。

表6 桥台悬臂梁验算Tab.6 The Checking of Abutment Cantilever Beam

2.7 桩基结构验算

桩基最大水平位移为4.86 mm＜6 mm，满足文献［10］要求。在基本组合作用下，最大剪力为2 639.6 kN，抗力为20 669.7 kN，富余212%，均满足文献［10］要求。

3 结论

本文对某跨湖桥的设计方案进行了比选，并就推荐方案的主桥进行了结构计算，主要获得如下结论：

⑴在文化金融功能中心，简约稳重的葵花拱桥设计与周围环境以及城市规划发展目标和谐统一，是一种值得推荐的桥型。

⑵葵花拱桥线形优美、造型简约、成熟稳重，实用性强，施工周期短，对于施工条件好的景观工程具有很好的参考。

⑶本文提出的葵花拱桥受力合理，经过计算，主腹拱圈、纵梁、墩台及其桩基承载能力以及正常使用均满足文献［10］要求。