大跨度下承式钢箱提篮拱桥总体设计

黄国清

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510507）

汕头市濠江区濠江一桥起点位于三联工业园西南侧500 m 处，路线沿西南方向延伸，跨越濠江后与河浦大道相接。项目的建设将有效地增加濠江过江通道，对于提升濠江区出行效率，完善区域路网具有重要的作用。

主要技术标准：设计速度60 km∕h；双向六车道一级公路标准兼城市道路功能；公路一级荷载等级；设计洪水频率为1∕100；基本风速39.4 m∕s；通航等级为规划Ⅳ级内河航道，通航净宽90 m，净高8 m；地震动峰值加速度为0.2g，抗震设防烈度8 度。

1 设计要点

1.1 结构形式

濠江一桥上部结构体系为下承式钢箱提篮拱桥，桥型总体布置如图1所示，该桥桥宽36.5 m，主跨145 m（拱轴线水平长），理论跨径149.24 m，竖向吊杆。主拱采用提篮式矩形钢箱结构，拱肋横向倾角为18°，矢跨比为1∕4.5。桥面系采用钢纵横梁与钢筋混凝土桥面板的结合梁体系。

图1 桥型总体布置图（单位：cm）

1.2 主拱设计

1.2.1 主拱矢跨比

对大跨度下承式钢箱拱桥而言，矢跨比是重要结构参数，显著影响主拱结构内力和拱脚水平推力，亦对拱桥的造型构成影响。因此，考虑受力合理性与景观优美性，寻求一个最佳矢跨比方案是主拱设计的关键点[1]。

根据工程实际经验，下承式拱桥矢跨比的选取一般介于1∕4～1∕6，而对于中小跨径下承式提篮拱桥，不同的矢跨比对建筑造型影响尤为显著，适当选择较低的矢跨比，可获得较好的提篮效果。本文对矢跨比和拱轴系数等参数变化下，进行了成桥阶段受力分析，参数分析结果表明：矢跨比对拱肋跨中内力影响较大，对拱脚内力影响较小；矢跨比较小，跨中的正弯矩增大，而结构的刚度有所降低，拱脚轴力和拱肋水平推力增大。总体而言，矢跨比在1∕4.0～1∕5.0 之间时拱肋跨中区域的弯矩值绝对值相对较小，拱脚和1∕4L位置拱肋的弯矩也在合理范围内，是比较优的矢跨比范围，如图2所示。

图2 不同矢跨比参数对拱肋恒载弯矩的影响对比图

1.2.2 拱轴线的选择

目前，大跨度下承式钢箱拱桥的拱轴线常见线形有悬链线、二次抛物线、高次抛物线以及悬索线。悬链线、二次抛物线或悬索线，其区别在于对应的拱肋结构承担恒载分布形式的不同，因而拱轴系数m的取值不同，当m=1 时即为二次抛物线。选择拱轴线的原则是尽量向压力线靠拢，同时考虑外形美观、施工简便等因素[2]。

对于大跨度下承式钢箱拱桥，设计者常常采用悬链线或二次抛物线。采用悬链线拱时，本文分别选取拱轴系数等于1.1、1.2、1.4、1.6 时进行分析，结果表明随着拱轴系数的增大，恒载工况下拱脚负弯矩减小，拱顶正弯矩增大，内力趋于不均匀；采用二次抛物线拱时，拱的内力相对均匀。该桥为下承式钢箱拱桥，拱肋承担近似均布荷载，经计算分析表明，采用悬链线和二次抛物线内力均满足要求，其造型效果如图3所示，抛物线较为高耸，与桥址平坦的周边环境契合，故该项目推荐采用二次抛物线。

图3 不同矢跨比和拱轴线的拱肋造型对比图

1.2.3 主拱倾角的选择

提篮拱是将平行拱肋向桥梁轴线方向倾斜，甚至在拱顶合龙，形成空间上的拱式结构，可增强横向稳定性能，显著降低施工中的面外稳定风险，提升景观效果。

主拱倾角大小对拱梁内力分担比例，面内和面外刚度有较大影响，需结合拱梁刚度分配、抗风稳定和景观效果等因素，对不同倾角进行受力分析和施工方案研究，确保结构受力安全可靠、景观优美[3]。本文分别选取倾角12°、15°、18°和20°进行多方案分析，虽然12°倾角方案能够获得最优稳定性，考虑倾角18°方案拱顶靠得较近，提篮效果明显，造型佳，拱梁受力和稳定性均满足规范要求，故推荐选用倾角18°方案。

综合以上参数分析，拱肋矢跨比1∕4.5，拱轴线为二次抛线。主拱为钢箱肋拱，截面为矩形，通过截面刚性旋转倾斜，形成拱圈横桥向水平倾角72°；截面主拱肋高度由跨中2.2 m 渐变至根部3.2 m，拱肋箱宽1.8 m。拱肋截面采用变高度，拱顶轻巧，拱脚厚重。拱肋断面见图4。

图4 拱肋横断面（单位:mm）

1.2.4 风撑道数和位置

该桥位于台风高发区，基本风速39.4 m∕s，抗风稳定性要求高，而拱肋的最不利失稳破坏形式一般为拱肋的面外横向失稳破坏，该文分别选取3 道、4 道、5 道和7 道风撑进行抗风稳定分析，选取“恒载+活载”和“恒载+风荷载”荷载组合进行分析，结果表明：

a）“恒载+活载”为控制工况，虽然该桥基本风速高，但由于拱肋截面迎风面积较小，故荷载占比相较活载略小。

b）拱肋风撑设置道数显著影响抗风稳定性，至少设置4 道风撑方可满足规范要求。根据分析结果并结合景观需求，拱肋推荐设置5 道风撑，“恒载+活载”和“恒载+风荷载”工况下的一阶失稳系数最小分别为13.6 和14.7（如图5所示），满足规范要求。

图5 拱肋设置5道风撑失稳模态图

1.3 主梁设计

1.3.1 主梁截面类型的选择

下承式钢箱拱桥主梁截面形式一般有组合梁（混凝土桥面板）、叠合梁（钢-混凝土组合桥面板）和全钢梁（钢桥面板）。经分析验算，组合梁虽经济性最优，但存在自重较大、混凝土耐久性和焊钉疲劳问题，不推荐采用。相较于组合梁，叠合梁和全钢梁自重较小，对主拱肋的内力有利，但全钢梁造价相对较高（表1）。综合考虑技术成熟性、经济性、施工便利性和维修养护便利性等因素，主梁采用叠合梁方案。

表1 主梁截面类型比较表

1.3.2 主梁结构设计

主梁采用双边钢箱+钢-混凝土组合桥面板结构。桥面宽36.5 m，设计中心线主梁高2.85 m。主梁钢结构采用Q345qC，其双主梁结构由纵梁、小纵梁、横梁（分为中横梁和端横梁）组成，其断面如图6所示。桥面板采用钢-混凝土组合桥面板，形式为带PBL 剪力键的聚丙烯纤维混凝土组合桥面板。桥面板厚260 mm，其底板设置8 mm 厚的薄钢板，在钢板上横向每400 mm、350 mm 设置一道PBL 剪力键，通过剪力键、钢筋和纤维混凝土形成组合桥面板。

图6 叠合梁主梁横断面（单位：mm）

1.4 吊杆设计

拱桥吊杆在拱上和梁上的锚固方式有多种方案，选择时要考虑受力、张拉操作空间、美观和耐久性等方面。拱上锚固方式有拱肋下吊耳式、拱肋箱内锚固和拱肋顶张拉锚固等形式；钢梁端的锚固方式有梁上吊耳式、梁内锚固和梁底锚固等方式[4]。拱肋箱内锚固方案的优点是外观美观，对锚头耐久性有好处，缺点是张拉操作空间比较紧张，且张拉千斤顶在拱内搬动也不方便。梁底张拉方案的施工相对方便，不足是纵梁底板需要开孔，对主梁有削弱。梁顶张拉方案需要一套特制的工装，且同一根吊杆需要两个张拉千斤顶同步工作，对施工的要求较高。该桥经综合比较后选择拱肋内张拉锚固、梁上采用吊耳的锚固方式。

全桥拱肋共22 对吊杆，吊杆纵向间距6 m，横向间距29 m。吊杆采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索，外加聚乙稀护套加不锈钢外套。吊杆型号为PES（C）7-85（91），抗拉强度标准值为1 770 MPa。

1.5 水平系杆索设计

水平系杆索是系杆拱桥中抵抗由于恒载与活载所引起的水平推力的关键结构单元，系杆索的设计不仅要考虑到其理论强度安全系数，而且必须考虑其耐久性、可维护性及可更换性。该桥水平系杆索采用31 孔可换索（环氧喷涂无黏结钢绞线成品）式系杆，索体钢绞线抗拉强度1 860 MPa 级，每个箱室设置6 根水平系杆索，全桥共设置12 根。

1.6 桥墩基础设计

主桥墩为圆端形流线门型桥墩，普通钢筋混凝土结构，墩顶截面（单肢）尺寸为6.0 m（顺桥向）×5.0 m（横桥向），采用实心截面；墩顶设计横向系梁，系梁高由跨中至根部为（2.0×4.0）m；承台厚4 m，截面尺寸为13.2 m（顺桥向）×8.2 m（横桥向）。桩基采用D200 钻孔灌注桩。

2 精细有限元仿真分析

2.1 仿真分析的目的

由于主拱拱脚区域、吊杆上锚固区和下锚固区受力较复杂，常规杆系模型难以掌握其应力状态，故重点对该三大区域建立精细化有限元模型，目的是了解和校核该受力复杂区的三维应力状况，为该桥的设计工作提供可靠的数据支持，并优化结构构造设计。

2.2 仿真分析结果

主拱拱脚区域为支座反力、主拱内力和主纵梁内力的汇合点，其边界条件极为复杂。精细化模型约束支座处节点的位移，约束主梁的跨中侧端部节点纵向位移。在总体模型中提取主拱肋内力并施工加于精细化模型对应位置，对拱脚锚固端施加系杆水平力。仿真分析结果表明：

a）从应力云图可以看出，拱脚区域最大应力330.6 MPa（如图7所示），各构件未出现屈服现象。

图7 精细有限元仿真分析结果（单位：MPa）

b）系杆锚固区锚箱应力较集中，通过加厚锚垫板等措施加强后，锚箱的受力状态良好，应力不大于150 MPa，满足要求。

c）该桥的最大支反力为27 500 kN，支座垫板厚度、支座加劲板的厚度和间距显著影响区域内板件应力状态，经精细化仿真分析后，支座垫板厚度宜选取100 mm，加劲板间距宜控制在350～400 mm，加劲板厚度取30 mm 和40 mm，其应力水平可控制在170～234 MPa范围，满足要求。

3 结论

a）大跨度下承式钢箱提篮拱桥景观性高，适用于300 m 跨度范围以内，跨越能力较大，建筑高度低，对有景观要求的城市桥梁具有很强的竞争力。

b）对于中小跨径下承式钢箱提篮拱桥，矢跨比、拱轴线和拱肋倾角的选择，除考虑拱肋的内力合理性、经济性因素外，应重点关注美学效果。

c）拱桥吊杆在拱上和梁上的锚固方式应结合受力性能、张拉操作空间、后期养护、景观性和耐久性等方面进行选择。

d）主拱拱脚、吊杆上锚固区和下锚固区等区域受力复杂，利用精细有限元仿真手段，可掌握其受力状态，可有效地指导设计工作。

汕头市濠江一桥位于濠江区“一江两岸”重点景观节点，已于2021年8月顺利建成通车，这一标志性建筑成为了当地又一网红打卡点。本文通过该桥的设计和各复杂节点的研究，积累了些许经验，可为同类桥梁设计提供参考。