摘要：在橋梁與建筑日益融合的大環(huán)境下，如何用結(jié)構(gòu)的方式來體現(xiàn)建筑的意圖，是橋梁設(shè)計(jì)中遇到的新課題。本文結(jié)合一座飛鳥式系桿拱橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，淺談下在保留原建筑意圖的前提下，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選優(yōu)化的過程，并對(duì)今后同類設(shè)計(jì)提出一些有價(jià)值的意見及建議。

關(guān)鍵詞：飛鳥式系桿拱橋； V型剛構(gòu)；組合結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、工程概況

隨著建筑景觀對(duì)市政交通建設(shè)領(lǐng)域的滲透，特別是旅游地塊和公共建筑的互生互動(dòng)，橋梁在具備交通功能、過水功能之外，其景觀功能也越來越被建設(shè)者所重視，更冀望通過橋梁的公共性和地標(biāo)性，提升周邊區(qū)域的整體對(duì)外形象。

本項(xiàng)目位于海南省旅游公路某段，毗鄰入海口，上跨太陽(yáng)河分洪渠，視野開闊，觀景效果好，是本工程沿線最大的橋梁。從旅游公路的定位出發(fā)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初便從建筑景觀入手，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)本身，營(yíng)造復(fù)合人文景觀，提高旅游公路的辨識(shí)度，更期形成區(qū)域景點(diǎn)，吸引游覽人氣，帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐穆糜萎a(chǎn)業(yè)。

建筑方案采用連續(xù)跳躍的拱形線條，以形成飛鳥展翅的效果，如同海鷗掠過海面，打造南海沙灘、碧浪白鳥的美麗畫面；拱形線條河中分叉處理，增加了連拱的立體感，使得橋梁整體顯得輕盈動(dòng)感又立體飽滿。

二、設(shè)計(jì)條件

太陽(yáng)河發(fā)源于萬寧市與瓊中黎族自治縣、陵水黎族自治縣交界處的斬嶺，原入注泄湖小海，后建分洪工程后直接注入南海。全流域面積592.5 km2，河流全長(zhǎng)75.7 km，年均徑流8.44億m3，坡降1.49‰。

橋位河段毗鄰出海口，為典型的感潮河口段，受中上游的萬寧水庫(kù)和碑頭水庫(kù)泄洪影響，并受外海潮汐水位控制。根據(jù)水文調(diào)查和計(jì)算，擬建橋位處歷年最高潮位為3.447m，年最高潮位出現(xiàn)在汛期的幾率為89.7%，百年一遇的設(shè)計(jì)潮水位為3.907m（85國(guó)家高程）。

本橋設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.道路等級(jí)：二級(jí)公路；

2.設(shè)計(jì)車速：40km/h；

3.汽車荷載：公-Ⅱ級(jí)；

4.結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)；

5.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年；

6.抗震設(shè)防等級(jí)：6度；

7.環(huán)境類別：Ⅲ類；

8.橋梁寬度：18m。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑總體設(shè)計(jì)意向，本橋?yàn)轱w鳥中承式拱與懸索組合結(jié)構(gòu)橋，拱肋吊桿部分承受邊跨豎向荷載，懸索部分承受跨中豎向荷載；全橋獨(dú)拱肋單索面設(shè)計(jì)，主梁為多點(diǎn)彈性支撐連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

從本方案的結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜度出發(fā)，本橋宜采用全鋼結(jié)構(gòu)以降低局部構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工的難度；但針對(duì)橋梁所處的海洋腐蝕環(huán)境以及海南當(dāng)?shù)囟喟l(fā)的臺(tái)風(fēng)氣候，從全壽命期工程投入產(chǎn)出與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全的角度出發(fā)，全鋼結(jié)構(gòu)不宜作為本橋的主材料。

為應(yīng)對(duì)該矛盾，設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，分析認(rèn)為主梁受力相對(duì)明確、施工相對(duì)簡(jiǎn)單，有條件采用混凝土結(jié)構(gòu)；主拱受力復(fù)雜多變，施工需高空作業(yè)，可維持采用全鋼斷面或改用鋼箱混凝土斷面。最終，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用混凝土薄壁箱梁為主梁斷面，主拱進(jìn)行鋼箱混凝土和全鋼截面比較，在維持獨(dú)拱肋單索面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用雙吊桿布置，既減小因主梁材料改變而大幅提高的吊桿內(nèi)力，也便于后期換索。

鑒于橋位處基巖埋置深度達(dá)50m以上，主梁縱向布置通長(zhǎng)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，以平衡結(jié)構(gòu)水平推力，形成自錨體系，減小拱結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的依賴。

經(jīng)過初步試算，單索面全漂體系主梁整體抗扭能力較差，剛度較小，設(shè)計(jì)提出增設(shè)主墩處橫梁、與斜腿形成V墩剛構(gòu)體系的方案進(jìn)行優(yōu)選比較。

本工程的結(jié)構(gòu)總體計(jì)算采用Midas2010（V7.8.0版），主梁和拱肋采用梁?jiǎn)卧M，吊桿和主纜采用桁架單元模擬；考慮了恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、整體升降溫、局部溫差、風(fēng)荷載、基礎(chǔ)沉降等作用。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）的規(guī)定，本橋計(jì)算時(shí)取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，按A類混凝土構(gòu)件要求，對(duì)荷載（作用）進(jìn)行組合計(jì)算。

1、主拱斷面比較結(jié)果

比選斷面1采用250×200cm鋼箱混凝土主拱斷面，鋼箱壁厚為12mm，全斷面內(nèi)充微膨脹混凝土，全橋拱肋混凝土用量為1036方、鋼結(jié)構(gòu)用量為594噸。

比選斷面2采用250×200cm全焊鋼結(jié)構(gòu)斷面，鋼箱壁厚為30mm，全橋拱肋，鋼結(jié)構(gòu)用量為1343噸。

兩個(gè)斷面同樣在方案A的全漂體系下，斷面1的主梁跨中活載豎向撓度為8.4cm，自重+活載的組合下拱肋側(cè)傾失穩(wěn)的臨界荷載系數(shù)為10.3；斷面2活載豎向撓度為14.3cm，拱肋側(cè)傾失穩(wěn)的臨界荷載系數(shù)為12.2；兩個(gè)斷面均滿足規(guī)范剛度、活載撓度和穩(wěn)定的要求，總體可行。

斷面1由于采用較為廉價(jià)的混凝土材料作為拱肋受壓材料，在工程投資上較斷面2減少約10%，但是斷面1拱肋分叉和懸索段錨固節(jié)點(diǎn)受力不明晰，懸索結(jié)構(gòu)換索困難，容易造成結(jié)構(gòu)隱患，施工時(shí)箱型斷面造型較難控制，對(duì)箱內(nèi)混凝土泵送和吊桿張拉都有較高的要求。

綜合考慮，采用斷面2——全鋼焊接箱型斷面可以明晰結(jié)構(gòu)受力，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，減少工程措施費(fèi)用，綜合效益遠(yuǎn)大于采用混凝土材料而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

2、結(jié)構(gòu)體系比較結(jié)果

在保證相同的全鋼薄壁斷面的情況下，全橋主梁無剛性支撐的全漂體系和增設(shè)V墩處主梁橫梁形成的剛構(gòu)體系有著各自不同的力學(xué)表現(xiàn)。

方案A主梁縱向受力相對(duì)平滑，無突變荷載，但由于全橋僅橋臺(tái)處設(shè)置抗扭約束，全橋扭轉(zhuǎn)跨徑達(dá)到了260m，扭矩和扭轉(zhuǎn)變形較大，橋臺(tái)處主梁扭矩達(dá)到了17405KN·m；跨中主梁在活載偏載的工況下橫向扭轉(zhuǎn)0.005rad，計(jì)入荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響后，主梁挑臂處豎向綜合撓度達(dá)到了32.9cm。

現(xiàn)行規(guī)范尚未對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度作相關(guān)規(guī)定，鑒于規(guī)范對(duì)于受彎梁的撓度計(jì)算要求是為了保證梁有足夠剛度，使汽車過橋時(shí)主梁變形不致過大而平順通行。因此，本項(xiàng)目采用了計(jì)入橫向扭轉(zhuǎn)后的主梁外挑臂綜合豎向撓度作為撓度驗(yàn)算對(duì)象，32.9cm的計(jì)算結(jié)果不滿足L/600=130/600=21.6cm的規(guī)范要求。

方案B主梁抗扭跨徑為110m，扭矩和扭轉(zhuǎn)變形都大大減小，主梁最大扭矩為5125 KN·m，較全漂體系降低了70%；主梁最大扭轉(zhuǎn)角度為0.0004rad，計(jì)入荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響后，主梁挑臂處豎向綜合撓度為6.56cm，體系剛度提升明顯。

采用剛構(gòu)體系后，主梁斷面得到了充分的利用，懸索段的主梁由V構(gòu)提供主要豎向支撐，吊桿支撐居于次要地位，對(duì)懸索段的要求大大降低。

通過對(duì)同一建筑造型下兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析比較可以看出，方案A采用自錨中承式系桿拱和懸索組合結(jié)構(gòu)，全漂體系，結(jié)構(gòu)整體剛度小、抗扭能力差，行車舒適度差，施工風(fēng)險(xiǎn)度高；方案B采用了自錨中承式系桿拱和V構(gòu)組合結(jié)構(gòu)，施工工藝成熟度高，抗扭能力強(qiáng)，而且避免了主纜錨固區(qū)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，消除了主纜腐蝕的隱患，最大程度利用了混凝土主梁的結(jié)構(gòu)承載潛力。因此，對(duì)于本橋的建筑方案，從結(jié)構(gòu)受力合理性上而言，方案B是優(yōu)選方案。

四、結(jié)語(yǔ)

同樣的建筑造型，會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案。在設(shè)計(jì)之初，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行試算，分析各種不同結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能，研究施工過程和復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的模擬方式，有利于調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向，少走彎路斜路，對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起了很重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋.人民交通出版社，2007.1

[2]胡建華.現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應(yīng)用.人民交通出版社，2008.8