单跨三肋五索面超宽下承式系杆拱桥总体设计

刘杰，魏立新

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060）

1 工程概况

沙涌大桥位于东莞滨海湾新区滨海大道，滨海大道呈东西走向，西起虎门镇滨海大道，东至交椅湾大道，路线全长约5.52 km，道路等级为城市主干路，道路横断面为主线双向八车道+辅道双向四车道。沙涌大桥跨越沙涌河，为单跨120 m 下承式空间异形钢箱系杆拱桥，标准断面桥宽80 m，跨中处上下游两侧设置观景台，断面局部加宽至88 m，桥梁采用整幅布置。

沙涌大桥为城市景观桥，桥梁设计难点：①道路宽80 m，桥长120 m，过宽的道路使桥梁横纵比例较常规桥偏大，采用常规的拱桥，如单拱或双拱，会让整座桥呆板臃肿；②桥面与河涌高差较小，在美感上不易把控拱的高度、比例。为了解决以上难点，桥梁设计采用多拱的方式。多拱力学性能好，造型变化丰富，能营造强烈的空间感受［1-3］。

在方案设计阶段，桥梁设计以“浪淘琢玉，花开有兰”为理念，在运用多拱组合的基础上，提取浪花元素，运用体量对比的多拱呼应浪花的造型，以简洁明快的姿态，展现东莞地区海上丝绸之路的文化。同时对东莞市花——玉兰花进行意向提取，通过形态组合等方式形成沙涌大桥。桥梁整体造型现代、简洁，同时充分体现了城市文化，展示了城市形象。桥梁方案效果如图1 所示。

图1 沙涌大桥效果图

国内外已建成类似桥型有天津大沽桥、广西南宁大桥、山西南中环主桥以及南昌艾溪湖大桥等，该类桥型为拱肋外倾，两侧拱肋可根据景观要求设计为对称型或不对称型。上述桥型均为两片外倾的拱肋，沙涌大桥上部结构由三片拱肋组成，两侧拱肋外倾，中间拱肋直立，拱肋之间无横撑，竖直的中拱与两根外倾的边拱构成了“空间五索面下承式钢箱系杆拱桥”的敞开式空间异型拱桥结构体系。

2 技术标准

（1）道路等级与设计速度：城市主干路，主线设计速度60 km/h。

（2）设计洪水频率：百年一遇潮水位4.63 m（85国家高程系统）。

（3）设计荷载：城-A 级。

（4）抗震设防标准：地震基本烈度7 度，地震动峰值加速度为0.15g（g为重力加速度）。

（5）桥梁结构设计基准期：100 年。

（6）结构设计使用年限：主体结构100 年，吊索20 年，栏杆、伸缩缝15 年。

（7）桥梁设计安全等级：一级。

（8）环境类别：Ⅲ类。

3 工程地质条件

根据区域地质资料，对本工程河涌沿线有影响的断裂构造为南坑—虎门断裂。区域内历史上的地震以微震为主，处于构造相对稳定阶段。根据地质勘察钻探亦未发现断裂迹象，场地地质构造稳定性较好。经勘探，按地层成因类型和岩土层性质，场区内的第四系地层自上而下分为：填土层（Qml）、第四系海陆交互沉积层（Qmc）、残积土层（Qel）、下古生界花岗岩（Pz1）。桥梁采用钻（冲）孔灌注桩基础，以微风化花岗岩作为桩端持力层。

4 桥梁结构设计

4.1 总体布置

4.1.1 线路平纵设计

桥梁平面位于直线上，桥位处两侧规划防洪堤堤顶标高5.0 m，桥梁与两侧规划路平交，百年一遇潮水位为3.46 m，梁底最小控制标高4.2 m。桥梁纵坡为双向0.8%，竖曲线半径为7 500 m。

4.1.2 跨径布置及桥型设计

沙涌桥位于滨海湾新区滨海大道，上跨沙涌河，沙涌河规划宽度92 m，本桥位于沙涌河尾端，临近珠江入海口，河涌呈喇叭口状态，河涌宽度约100 m，同时沙涌河与滨海大道斜交，为满足防洪要求，河道内不布置桥墩。考虑防洪、景观等要求，采用一跨过河的桥跨布置。由于桥梁两侧道路及场区高程为5.0 m，梁高会受到严格限制。因此，综合桥梁跨径、桥梁梁高、桥下净空、景观功能等各方面考虑，由于下承式拱桥桥型本身具有的曲线美，以及适中的跨径和较小的梁高而成为桥型方案的首选［4-5］。结合方案设计理念，本桥采用了造型新颖的单跨120 m 超宽桥面敞开式拱肋的轻型组合桥面异型拱桥桥型。桥型布置见图2。

图2 沙涌大桥立面布置图（单位：m）

桥梁采用整幅布置，桥梁断面标准宽度80 m：8.5 m（人行道及非机动车道）+7.5 m（辅道行车道）+5.0 m（侧绿化带）+15.0 m（主路行车道）+8.0 m（绿化带）+15.0 m（主路行车道）+5.0 m（侧绿化带）+7.5 m（辅道行车道）+8.5 m（人行道及非机动车道）。桥梁断面布置见图3。

图3 沙涌大桥横断面布置图（单位：m）

4.2 拱肋设计

拱肋结构包括位于竖直平面内的中拱肋和分设于中拱肋两侧的边拱肋，拱肋两端的拱脚与主梁固结，中拱肋矢跨比为1/3.05，设计矢高f=38.00 m，边拱肋矢跨比为1/4.936，竖向投影设计矢高f=23.5 m，中拱与边拱拱高成黄金比例关系；中拱肋与两根边拱肋之间不设置横撑，中拱肋为竖直结构，与主梁通过单排竖直吊杆连接。边拱肋为外倾式结构，边拱肋与竖直面夹角为15°，每个边拱与主梁之间通过两排斜吊杆连接。竖直的中拱与两根外倾的边拱构成了“敞开式空间五索面倾斜拱肋系杆拱桥”的空间异型拱桥结构体系。该体系外形似浪花，又似含苞待放的玉兰花尖，景观性能较好。

中拱肋采用变截面钢箱拱肋，拱脚与钢箱梁腹板采用焊接固结，计算跨度L=116.0 m，设计矢高f=38.00 m，矢跨比f／L=1∶3.05，拱轴线采用二次抛物线。倒梯形变截面箱形截面，箱高1.6～2.2 m，箱顶宽2.0～3.0 m，箱底宽1.6～2.45 m，标准断面处顶、底板厚均为20 mm，腹板厚为16 mm。在梁拱结合部，拱肋顶底板加厚为30 mm，腹板加厚为25 mm。

边拱肋采用变截面钢箱拱肋，拱脚与钢箱梁顶板采用高强螺栓固结，计算跨度L=116.0 m，竖向投影设计矢高f=23.5 m，矢跨比f／L=1∶4.936，斜拱平面内拱轴线采用二次抛物线。倒梯形变截面箱形截面，箱高2.0～3.0 m，箱顶宽2.0～3.0 m，箱底宽1.6～2.4 m，标准段顶、底板、腹板厚均为40 mm。拱肋顶底板加厚为50 mm，腹板加厚为50 mm。

拱肋均采用Q420qD 桥梁结构钢，钢板最大板厚达50 mm，需满足厚度方向钢板性能指标。拱肋结构在工厂分节段制作，考虑结构受力及运输吊装能力等因素，每个拱肋分为5个节段制作。拱肋横断面见图4。

图4 拱肋横断面图（单位：mm）

4.3 主梁设计

钢主梁采用正交异性钢桥面板，桥梁宽度80 m，桥面系受力由横桥向控制，横桥向每个断面有5根吊杆，桥面系受力为四跨连续梁结构。由于桥梁两侧道路标高限制，主梁梁高较矮，经计算，主梁梁高满足要求。

钢主梁采用整体式纵横梁体系，梁端悬出边支点以外2.0 m，每孔边支点梁拱结合段梁段长10.0 m。主梁标准宽度80 m，两边局部各加宽4.0 m，横梁底板水平，各纵梁等高，顶板横向倾斜形成1.5%的双向横坡，最小梁高1.2 m，最大梁高为1.80 m。

标准梁段处纵梁梁顶板厚16 mm，采用带U 肋的正交异性钢桥面板结构，正交异性整体桥面结构由纵梁、横梁及加劲的钢桥面板组成。中间每隔2.0～3.5 m 设1 道纵梁，纵梁腹板高0.8～1.0 m，纵梁底宽0.4 m，腹板及底板在标准梁段板厚为16 mm。与拱肋及吊杆对应处纵梁采用箱梁结构。

钢主梁标准梁段每隔2.5 m 设1 道横隔板，其中与吊杆对应的横隔梁采用箱形截面。截面厚16 mm，在局部长度范围内加厚为20 mm，其余横隔板采用工字形截面，梁高0.5 m，厚为16 mm。梁拱结合段端横梁间距为0.5～1.0 m。主梁除端横梁外均采用Q345qD 桥梁结构钢。主梁横断面见图5。Tn-i 表示顶板；FF1表示边拱系梁腹板；ZFi表示中拱系梁腹板，HLG 表示横梁隔板；DB 表示底板；ZL-1 表示纵梁。

图5 主梁横断面图（单位：mm）

4.4 吊杆设计

中拱肋与钢主梁之间通过间距为5 m 的竖直吊杆连接，中拱吊杆采用73 根φ5 高强低松弛镀锌平行钢丝束。边拱肋的内外侧分别与钢主梁之间通过间距为5 m 的斜吊杆连接，为平衡外侧辅道及人行道侧吊杆对拱肋产生的倾覆力矩，需对主线车行道侧的吊杆与边拱平面之间设置偏心。通过内外吊杆的共同作用，平衡边拱肋的横向受力，实现两侧的受力均衡性，提高其结构可靠性和整体稳定性。边拱吊杆采用55 根φ5 高强低松弛镀锌平行钢丝束和127 根φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES（FD）低应力防腐索体，并涂装超耐久聚脲材料。吊杆上端采用耳板式锚固锚于拱箱外侧，吊杆下端采用钢锚箱锚固于钢箱梁底面。吊杆构造图见图6。

图6 吊杆构造图（单位：mm）

4.5 拱梁结合段

桥梁采用拱梁固结，中拱拱肋与中纵梁横向等宽，拱肋腹板与伸出顶板的中纵梁腹板对接，拱肋顶底板与主纵梁顶板焊接，并在相应位置设置加强隔板。边拱拱肋与边纵梁顶板采用高强螺栓连接，拱肋拱脚底设置连接法兰，法兰与拱脚焊接，拱脚通过法兰与边纵梁顶板栓接。

4.6 桥面结构

桥梁结构桥面宽80 m，由于主梁梁高受限，恒载对结构受力起关键作用。根据计算，影响拱肋结构尺寸的关键因素是桥面二期恒载，减轻二期恒载重量可以优化拱肋断面尺寸，获得更优美的线形，因此本桥桥面采用了钢-STC 超高韧性混凝土轻型组合桥面结构，该结构由正交异性钢桥面板与超高韧性混凝土组合而成，在钢主梁顶板上焊剪力钉并浇筑50 mm 厚STC（Super Toughness Concrete-STC 超高韧性混凝土）层，再在其上摊铺40 mm 厚沥青混凝土磨耗层。该轻型组合结构具有局部刚度大、重量轻、耐久性能好等优点，综合解决了正交异性钢桥面板固有的疲劳开裂等典型病害问题［6-10］。同时可增强沥青面层与桥面板的连接能力，延长使用寿命。在全寿命周期内提高了钢桥面耐久性，降低了钢桥运营维护成本，减少了钢桥面维护引起的交通阻断。桥面构造见图7。

图7 桥面构造图（单位：cm）

5 结构计算分析

5.1 结构计算模型

桥梁结构采用空间有限元软件Midas/Civil 建立梁格模型对结构进行整体计算分析，主梁采用梁格模型。主梁、拱肋采用空间梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，全桥共8 324 个节点，10 078 个梁单元，结构计算模型见图8。

图8 结构计算有限元模型

5.2 荷载标准

计算荷载考虑恒载、活载、风荷载、温度荷载等。

一期恒载：钢箱梁结构自重。

二期恒载：桥面铺装、钢防撞栏、绿化土等。

汽车荷载：城-A 级，按双向十二车道。

人群荷载：按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）计算，取2.4 kPa［11］。

温度作用：按整体温升30 ℃，整体温降30 ℃计。

风荷载：百年一遇强风荷载。

结构重要性系数：1.1。

5.3 主要计算结果

5.3.1 结构静力分析

（1）主梁

基本荷载组合下，纵梁上缘最大拉应力为129 MPa，纵梁下缘最大拉应力为122 MPa。横梁上缘最大拉应力为109 MPa，横梁下缘最大压应力为-133 MPa。纵横梁的强度满足要求。

（2）拱肋

基本荷载组合下，中拱上缘最大压应力位于拱脚附近，为-123 MPa，中拱下缘最大压应力位于拱肋跨中，为-90 MPa。边拱上缘最大压应力位于拱脚附近，为-213 MPa，边拱下缘最大压应力位于拱肋跨中，为-178 MPa。拱肋的强度满足要求。

（3）吊杆

吊杆采用高强低松弛镀锌钢丝，其抗拉强度fpk=1 670 MPa。由表1 可知：吊杆的安全系数均满足规范要求，具有一定的安全储备。

表1 吊杆最大内力

5.3.2 结构稳定性分析

施工过程中不利工况为拱肋安装完成，但未张拉任何吊杆，且遭遇百年一遇风速，需验算其稳定性。根据计算结果，首先是中拱面外失稳，整体稳定系数45.3。运营阶段首先是中拱面外失稳，整体稳定系数12.0，拱肋在施工阶段及运营阶段整体稳定性均满足规范要求。

6 结论

沙涌大桥是超宽桥面空间异型下承式钢箱系杆拱桥，结构形式美观新颖，结构受力合理，采用钢-STC 超高韧性混凝土轻型组合桥面。综合桥梁跨径、结构合理性、经济性、景观功能等各方面考虑，该桥在同类跨径超宽桥面拱桥中具有较大竞争力，该桥的设计成果可为同类城市超宽桥面景观桥梁设计提供参考。沙涌大桥是目前世界上在建的最宽桥面的索承式桥梁，工程于2020 年10 月开工建设，2022年全线贯通。