东湾大道沙涌桥设计构思

李学松

（东莞滨海湾新区工程建设中心，广东 东莞 523120）

0 引 言

随着社会经济的快速发展，各地对桥梁结构的美学要求越来越高，景观桥梁的建造越来越多，特别是各地规划的新区建设，都要求桥梁能够成为该区域内的景观亮点。

拱桥作为一种历史悠久的建筑形式，具有造型优美、曲线圆润、富有动态感等特点，且跨径布置灵活，是城市景观桥梁中的首选。对于中承式及下承式拱桥需设置吊杆，常规的公路拱桥中一般采用柔性吊杆，但是在城市景观桥梁中，为满足景观方面的需求，采用刚性吊杆以体现桥梁的造型美[1-2]。

1 工程背景

1.1 建设条件

桥址位于珠江入海口附近的冲击平原上，跨越的河道规划河顶宽度92 m，河底宽50 m，涌底标高-2.0 m，河涌断面如图1 所示，该河涌作为区域内的中央水系，将打造沿河的景观绿化带。

图1 河道规划断面

道路红线宽度60 m，中分带12 m，中分带下布设有5 舱室综合管廊，管廊结构宽度12 m。

地勘揭示：地表覆盖层为第四系地层，下伏基岩为奥陶纪早奥陶世花岗岩，持力层为中风化岩带，单轴饱和抗压强度为11～25 MPa。

1.2 技术标准

（1）道路等级：城市主干道。

（2）设计荷载：城—A 级，人群荷载按规范取值[3]。

（3）设计车速：V=60 km/h。

（4）设计水位：按P =1%潮水位3.46 m 控制。

（5）抗震设计标准：地震基本烈度为7 度，地震动峰值加速度为0.1g。

（6）设计风速：设计基本风速V10=32.2 m/s。

（7）耐久性设计环境类别：Ⅲ类[4]。

2 设计构思

本项目桥梁周边在建的桥梁均进行了景观重点打造，甚至有作为区域标志性建筑的桥梁。为了既能有效融合周边文化景观，又能突出本桥梁特色，本桥以草编为设计语言，以张开的双翅为设计意象。两片拱横跨水面，向两侧舒展，表达了建设地区积极进取、飞向未来的城市精神。

规划河道总宽92 m，河道两侧规划有绿道，堤顶路与本道路平交，为保证沿河慢行系统的连贯，结合总体景观方案，桥梁采用3 跨结构。主跨跨越主要水域，两边跨作为慢行系统穿越通道，主拱支撑于两个桥墩上，装饰拱延伸跨过边跨，支撑于桥台上。

2.1 横断面布置

道路中分带宽度12 m，下面布置有5 舱室综合管廊，此范围内不能布置桥梁基础，因此桥梁采用分幅布置，单幅只能在外侧设置单片拱，全桥设两片拱，两幅桥之间采用横梁连接。桥面横向布置为：6 m（人非混合道）+0～6 m(镂空区)+3 m（拱区）+0.5 m（防撞护栏）+16.25 m（机动车道）+ 0.5 m（防撞护栏）+9.5 m（中分带）+ 0.5 m（防撞护栏）+16.25 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+3 m（拱区）+0～6 m（镂空区）+6 m（人非混合道）=62～74 m。

2.2 矢跨比选择

矢跨比f/L 是描述拱桥特性的一个重要参数，它不但影响主拱内力，也关系到拱桥的建筑造型。根据经验，拱桥矢跨比一般为f/L=1/4～1/6。

本桥主拱拱轴线间跨度85 m，含装饰拱总跨径110 m，主拱拱轴线采用二次抛物线。下面分别取矢跨比f/L 为1/4、1/5、1/6 进行比选，不同矢跨比对应的矢高见表1。

表1 不同矢跨比对应拱肋矢高

主拱为受力结构，其矢跨比大小将影响拱肋的稳定性、拱脚轴力以及拱肋水平推力等。对于本桥，根据计算对比，由于跨径相对较小，矢跨比变化带来的影响不是太大，因此主要结合景观要求来进行对比。从表1 可见，当主拱采用1/5 矢高时，对装饰拱矢跨比为1/6.35，已小于1/6，且本桥拱肋整体外倾20°，立面投影矢高15.97 m，此时视觉感受拱肋更平坦舒展，因此本桥推荐矢跨比f/L＝1/5。

2.3 吊杆间距比选

吊杆疏密程度对拱桥的景观效果有很大影响。主梁的结构形式、线集度以及施工方法等是影响吊杆间距的主要因素。结合主梁结构形式以及制作运输的需求，本项目对吊杆间距分别为4 m、6 m、8 m的立面效果进行对比。

本桥采用整幅布置，桥面宽，吊杆间距不宜过大。吊杆间距的选择应考虑到横梁的布置。本桥采用刚性吊杆，吊杆尺寸相对较大，若吊杆间距太小，吊杆根数较多，视觉通透性不好，且不经济。综合上述分析，本桥吊杆布置间距采用6 m，相邻吊杆之间设一道空腹式横隔板，间距3 m。

3 方案研究

3.1 桥型布置

全桥跨径组合为（9+88+9）m，主跨88 m 采用双肢异型钢箱系杆蝴蝶拱桥方案。两片主拱采用六边形钢箱结构，拱肋横向外倾，倾角20°，矢跨比为1/5。主梁为钢箱梁，梁高2.5～3.0 m，中横梁为工字钢梁，主梁与横梁之间采用焊接。车行道采用钢桥面板，10 cm C50 混凝土+10 cm 沥青铺装。混凝土铺装和钢梁之间通过焊钉连接。人行道采用钢桥面板，吊杆采用H 型钢吊杆。主桥为单跨简支结构，拱梁固结，墩顶设球形抗震支座。边跨采用预制空心板结构，梁高65 cm。桥型立面及横断面如图2、图3 所示。

图2 桥型立面图（单位：cm）

图3 桥梁横断面布置（单位：cm）

3.2 主梁

主梁采用全钢结构，通过在两幅钢箱梁之间设置工字型横梁，组合成纵横梁体系。主梁单幅采用整体式单箱多室结构，共分为四个箱室，其中系梁为一个独立小箱室，箱室宽度约2.3 m，其余箱室宽度约5.0 m，主梁结构中心线处梁高3.0 m，梁面设2%的双向横坡，梁底水平。

主梁两侧人行道以挑臂形式与主梁连接，挑臂长度6～12 m，人行道位于挑臂外侧，宽度6 m，剩余部分非横梁位置镂空。

3.3 主拱

主拱肋线型为二次抛物线，拱平面相对道路外倾20°。如图4 所示，主拱肋采用正六边形钢箱截面，对角线截面宽度2.2 m，拱脚处渐变为矩形截面，宽度2.2 m，高度与正六边形同高。拱肋顶、底板及腹板均设置纵向加劲肋。主拱拱段间隔1.5～2.0 m 设置一道隔板。

图4 拱肋标准横断面

3.4 装饰拱

装饰拱拱肋采用正六边形钢箱梁截面，对角线截面宽度2.2 m。拱肋顶、底板及腹板均设置纵向加劲肋。装饰拱拱段间隔,1.5～2.0 m 设置一道隔板。

主拱拱肋局部外包装饰，与装饰拱相连，外包装饰采用薄钢板焊接而成，拱肋装饰与拱肋工厂一起节段制作，现场拼装焊接连接。

3.5 吊杆

吊杆为工字型骨架，在骨架外包覆装饰板，形成六边形截面以达到景观效果，吊杆截面高度60～120 cm，线性变化。靠近拱肋及梁体的一部分吊杆分别与拱肋、梁体节段在工厂制作，其余段落采用现场安装，吊杆对接安装采用焊接连接方式。

3.6 主墩基础

主桥的桥墩采用柱式墩，尺寸为2.0×2.0 m。墩柱采用C45 混凝土。

外侧拱脚下部4 个桥墩承台为矩形钢筋混凝土结构，边长6.6×6.6 m，厚度2.5 m；内侧钢梁下部4个桥墩承台为矩形钢筋混凝土结构，边长6.6×2.6 m，厚度2.5 m，承台采用C35 混凝土。承台混凝土属大体积混凝土，施工时需采取可靠的散热措施来保证浇筑混凝土的质量。

外侧拱脚下部4 个桥墩采用4 根直径1.6 m 的钻孔灌注桩基础，内侧钢梁下部的4 个桥墩采用2根直径1.6 m 的钻孔灌注桩基础，桩基均为钢筋混凝土结构，采用C35 水下混凝土。根据地质资料显示，本工程桩基均按照嵌岩桩设计，桩基持力层设在中风化花岗岩。

3.7 施工方法

主桥施工方法步骤如图5 所示。

图5 主桥施工步骤

4 静力分析

采用Midas/Civil 2020 软件建立本桥的三维模型，拱肋、主梁及吊杆均采用梁单元，模型如图6 所示。

图6 MIDAS 模型图

4.1 拱肋

荷载基本组合效应作用下，拱肋没有出现拉应力，全部处于受压状态，最大压应力159.7 MPa，最小压应力46.0 MPa。

4.2 主梁

荷载基本组合效应作用下，主梁最大压应力164.6 MPa，最大拉压应力200.4 MPa。最大应力处为端横梁人行道挑臂根部，该位置无车轮作用，行道面板有车轮作用的位置最大压应力为72.9 MPa。

4.3 刚性吊杆

荷载基本组合效应作用下，刚性吊杆最大压应力80.6 MPa，最大拉压应力181.5 MPa。

4.4 竖向位移

人群及车辆荷载共同作用下拱肋最大竖向位移为13 mm，主梁最大竖向位移为20 mm，人行道挑臂的最大竖向位移为29.3 mm。

4.5 结构屈曲模态

在恒载和活载作用下，模态一屈曲形式为钢拱的对称失稳，临界荷载系数为11.33，满足要求，如图7所示。

图7 恒载+ 活载作用下拱的屈曲

5 动力特性分析

桥梁结构的动力特性主要包括自振频率和主振型，反映了结构的刚度指标，对于正确进行桥梁抗震设计具有重要意义。计算模型边界条件采用模拟支座刚度的弹性支承，采用子空间迭代法计算前20 阶振型，表2 仅列出前5 阶主要振型。

表2 动力特性计算表

6 刚性吊杆抗风性能

刚性吊杆由于结构简单、刚度大，有助于拱承受面外屈曲，但细长构件，空气动力性能不佳，容易产生风致振动，因此本项目重点关注刚性吊杆的抗风性能，并开展了吊杆抗风性能的专题研究。

风洞实验取跨中最长吊杆进行模拟实验，吊杆实际长度17 m，模型缩尺比为1∶12，实验过程中未发现弛振、颤振等不利风致振动；在150°风偏角下跨中位移达到最大值，为0.01 m，满足规范中吊杆风致振动最大振幅限值的要求。

7 结 论

在体现拱桥跨径布置灵活的前提下，结合主拱及装饰拱设计，构思了一座三跨刚性吊杆系杆拱桥，满足了规划关于河道两侧慢行系统连续的要求。同时，对刚性吊杆的抗风性能展开研究。目前该桥已交付运营，状态良好，其设计构思对今后类似工程具有参考意义。