梁拱组合桥总体方案比选设计

高莉莉

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082）

1 引言

随着改革开放的不断深入，我国经济实力实现了质的飞跃，国家对基础工程建设的投资力度加大，国内交通事业获得了极大的发展与进步，桥梁作为交通工程的重要部位也得到了迅速发展[1]，从梁桥、拱桥到斜拉桥、悬索桥都实现了改进与完善[2]。梁拱组合桥综合了梁桥结构简单、施工方便和拱桥跨越能力强、造型美观等主要优点，在城市桥梁工程中受到桥梁设计师的青睐，正逐步得到应用[3]。

组合结构体系是通过将两个或以上的经典结构体系进行组合或叠加形成的力学行为相对更复杂，但结构力学性能和冗余度更优异的新体系，可以有效规避传统单一的桥梁结构体系的缺点并充分发挥各自的优点。将梁桥和拱桥在结构体系上进行组合形成梁拱组合桥，可突破单独采用两者之其一的局限性。根据主拱相对于主梁的竖向位置，梁拱组合桥一般分为上承式、中承式和下承式[4]。当前，针对大跨径中承式和下承式梁拱组合桥，国内外诸多学者已开展了广泛而深入的研究并且成功应用于工程实践。梁拱组合桥与通常的拱桥和梁桥相比，有很多优势。梁拱组合桥较低的梁高对于降低桥梁高度，缩短桥长，降低总体造价有很大的优势[5-6]。

2 工程概况

2.1 项目背景

本项目为通州运河核心区市政配套工程北关大道跨通惠河桥梁工程。通州运河核心区规划范围约16 km2，地处通州五河交汇处，自然景观优美，历史底蕴深厚，是通州新城未来的城市中心。运河核心区的功能定位为：北京新商务中心区，北京国际新城的示范区。规划运河核心区以多功能混合用地为主，具体包括商务办公、酒店、公寓、商业、文化娱乐、体育休闲等，同时结合市、区级保护文物建设大面积城市绿色开敞空间，以高水平的人性化设施来提升综合服务能力，强力打造运河北京新商务中心区，建设现代化国际新城。

2.2 技术标准

桥梁位于北京市通州区新华北路东侧现状通惠河河道上。北关大道位于通州区核心区内，规划为城市次干路，设计速度40 km/h。道路标准横断面为四幅路，布置为两上两下4 条机动车道。桥梁线位服从北关大道道路线位，墩台中心线平行河道挡墙边线布置，桥梁纵向中心线与支承边线夹角为87.07°。桥梁位于道路直线和圆曲线上，北端伸缩缝以南约5 m 位于圆曲线上，曲线半径500 m，其余部分均位于直线段上。

3 工程地质及建设条件

3.1 工程地质

根据现场钻探、原位测试和室内土工试验成果，按成因年代将勘探深度（60.00 m）范围内土层划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，并按其岩性、物理力学性质及工程特性进一步划分为8 个大层及亚层。

拟建场地抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组。拟建桥梁工程的场地类别为Ⅲ类，属于对抗震的一般地段，场地现况详见图1。

图1 拟建场地现况

3.2 建设条件

北关大道跨通惠河桥位整体呈西北—东南走向，位于通州运河核心区的商务北区、商务南区和水乡区交界位置，桥位西北角为商务北区的华业公司地块，规划建设低层商业用房和高层商务公寓楼；桥位东北角为水乡北区，规划建设低密度，具有水乡特色的水镇商业街、新兴产业和高端服务业建筑；桥位东南角为水乡南区，规划建设大面积的水系和湿地，其中紧邻南侧桥头的是迁建的文保建筑——程家大院仿古建筑群；桥位西南角为水务部门用地范围，规划建设滨河的湿地和景观设施。

4 梁拱组合桥结构设计

4.1 桥梁造型设计

本桥所处的通州五河交汇区域，自然景观优美，历史底蕴深厚，是通州新城未来的城市中心，对桥梁美观性要求很高。本桥为北关大道的重要组成部分，在满足交通、防洪、排水及通航功能的前提下，本着安全、美观、新颖、适用、经济的原则，结构造型应充分重视景观效果，与沿河水环境、自然景观和古燃灯相呼应，与北运河东侧将要建设的高约350 m 的双环标志性建筑相协调，充分展现北京厚重的历史文化与蓬勃向上现代城市文化的交融。

本桥不仅具有重要的交通功能，同时也是通惠河上重要的标志性建筑，将与通惠河两岸形成良好的衔接，共同创造优美的滨水堤岸景观。由于本桥梁重要的交通及景观功能，业主单位及当地政府对桥梁造型方案非常重视，经过全桥方案征集和后期多次的调整与优化，最后确定跨通惠河桥的桥梁方案为“青叶伏波”。

4.2 桥梁布置

因桥位处管线、地铁等各项控制要素较多，故桥长和桥跨布置综合考虑了各方面因素。

4.2.1 桥长

北侧桥台布置以不影响现况管线和地铁为原则的基础上，尽量靠北布置，桥台底高位于北侧现况污水管之上，边线与现况污水管的水平距离约2.3 m，桥台桩基距离污水管的最小距离约2.7 m，距地铁结构边最小距离约4.1 m。南侧桥台布置以不影响行洪为原则，桥台内边线布置在河道堤顶内边线以外。

4.2.2 主跨

桥梁设计阶段，分别对主跨55 m、60 m、70 m 的结构进行了整体布置和初步计算分析，并进行了比选。

对于主跨的确定主要从以下4 个方面来考虑：（1）从行洪要求考虑，一跨过河，不缩减河道主槽的50 m 净宽，减小桥梁结构对于正常过水的影响。（2）从景观要求考虑，主拱对称于河道主槽布置。（3）从结构受力考虑，尽量减小主跨，加大边跨。因桥梁总长确定，边跨较小，难以达到合理的边中跨比例，故设计中尽量加大边跨，以减小主墩水平推力和边墩基础负反力。（4）从总体层面考虑，拱脚尽量避开现况河道挡墙。

通过比较，若桥梁主跨为60 m，最大程度上避免了对河道行洪断面的影响，同时主拱也更加简洁、美观。主墩以道路中线与河道中线的交点为轴，在两侧的河道二层平台内对称布置，60 m 主跨使主墩基本避开了现况河道挡墙，又能保证沿主拱肋布置的观景步道与二层平台步道顺接，方便行人。另外，若主跨为70 m，主拱矢跨比达到1/10，主墩基础水平推力过大，如果完全由基础自身来承担，需要大体量的基础，与现况管线又有矛盾。

综合考虑，桥梁主跨采用60 m，对称于河道中线布置，故跨径布置为11.5 m+60 m+18.5 m。

4.2.3 主拱矢高

目前，河道北岸的北环环隧出入口已经施工完毕，华业地块也已经开始实施，故拱顶高程基本确定，同时主拱外设置的景观步道还要满足从桥面到河道二层平台的联通需求，故矢高基本确定，调整的幅度很小，主拱矢高确定为8.5 m，矢跨比为1/7。

4.3 桥梁体系比选

综合上文分析，根据桥梁造型要求、河道行洪要求、桥梁两端道路接线要求、桥下水位和通航净空要求，桥梁总体布置基本确定。主跨计算跨径60 m，计算矢高8.5 m，矢跨比1/7。全桥横向共设6 片拱肋和纵梁，半幅桥3 片。在此基础上提出3 种结构体系作为比选方案，并进行整体受力分析计算。

方案1：纵梁拱端和桥台端均固结，有边拱。

方案2：纵梁拱端和桥台端均简支，有边拱。

方案3：纵梁拱端固结，桥台端简支，无边拱。

经过计算结果，进一步分析：

1）方案2 和方案3，中墩水平推力和弯矩大幅增长，需要强大的下部基础来承担，不适用于本工程的地质条件，若采取在主墩之间张拉系杆解决水平推力过大问题，但只能在河底设置，检修维护困难，有一定风险，目前应用的实例很少；

2）方案2 和方案3，主拱应力有一定增加，需通过增加截面尺寸来克服；

3）方案2 和方案3，结构刚度较小，变形较大，势必影响长期使用性能；

4）方案1，拱肋产生应力和桥台负反力。

计算分析结果详见表1。

表1 主要效应计算结果比较表

综合以上因素分析，选取两端固结的结构形式更合理，两端固结桥梁即整体式无缝桥梁，其设计分析也具有重要学术和应用价值。

5 结语

通过对桥梁的建设条件、桥型选择的分析比选，通惠河桥采用了上承式梁拱组合体系。本桥为多次超静定结构，整体受力较为复杂，各构件相互影响因素大，局部存在受力集中的现象。桥梁的整体计算分析为深化设计奠定基础，后续还需要对重点部位进行更加详细的计算。

在计算分析过程中，由于该桥主跨大，边跨过小，易造成边跨梁端出现负反力，所以需设置大体量的端墙压重。根据本桥的受力特点，设计中将端墙压重的构造需求与整体式无缝桥技术结合，即将桥台与纵梁固结，充分利用其自重作为压重，取消了伸缩缝。这样，既满足了边中跨不匹配带来的平衡需求，又提高了桥面行车舒适性，减少了桥梁运营期间的维修养护费用。

本方案桥采用有千年历史的拱造型，实为上承式三跨连续梁拱组合桥。桥面行车视野开阔，河面景色一览无余。拱肋优美的曲线，实现了视觉的冲击与力线的畅流。上承式梁拱组合体系在主墩顶拱圈与上部主梁之间形成大三角刚构区域，视觉通透、简洁美观，是使用当代建筑手法对传统中国元素全新演绎的新时代水乡桥。可为同类桥梁的设计提供参考。