陳泉，陶華

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430023）

四新南路總港異型拱橋設(shè)計(jì)淺析

陳泉，陶華

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430023）

異型拱橋是一種較為新型的、特點(diǎn)鮮明的空間組合結(jié)構(gòu)體系橋梁建筑結(jié)構(gòu)，由普通拱橋演變發(fā)展而來，外形美觀、造型新穎。四新南路跨總港橋采用一跨異型拱橋，計(jì)算跨徑56 m，采用兩榀反對稱鋼箱主拱圈，無風(fēng)撐連接，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。闡述該異型拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。

異型拱橋；橋梁美學(xué)；結(jié)構(gòu)分析

0　引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，橋梁建筑已不單純滿足交通功能，而且作為一種空間藝術(shù)結(jié)構(gòu)物存在于社會之中[1]。尤其建設(shè)在城市標(biāo)志性內(nèi)湖、內(nèi)河、重點(diǎn)商圈或潛力地塊，橋梁設(shè)計(jì)更需要采用富有特色的建筑造型來表達(dá)景觀訴求，因而，橋梁設(shè)計(jì)師在考慮橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)要求的同時(shí)，還應(yīng)注重橋梁美學(xué)價(jià)值的提高。橋梁既要滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性要求，又能滿足人們的審美需要，將橋梁功能性、藝術(shù)性及其與環(huán)境相互協(xié)調(diào)等問題有機(jī)地統(tǒng)一起來，力爭實(shí)現(xiàn)橋梁品質(zhì)與橋梁美學(xué)價(jià)值的完美統(tǒng)一[4]。

1　工程概況

該工程位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)四新農(nóng)場地段，西起規(guī)劃芳草路，向東經(jīng)四新農(nóng)場，止于會展一路，全長約3.8 km。本次調(diào)整設(shè)計(jì)中，于道路里程K1+000處，線路斜跨總港渠道。為保持渠道暢通和滿足景觀要求，經(jīng)多次方案設(shè)計(jì)比選、論證，一座建筑造型新穎、美觀別致的反對稱異型景觀拱橋成為最終的施工圖設(shè)計(jì)方案。該橋根據(jù)道路走向、渠道寬帶、景觀體量等因素，從經(jīng)濟(jì)和造型的角度考慮，橋梁總體布置為一跨56 m下承式異型拱橋，梁體斜度為25°。目前該橋已建成通車（見圖1）。

圖1　總港異型拱橋鳥瞰圖

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級:城市快速路。

（2）設(shè)計(jì)車速：40 km/h。

（3）設(shè)計(jì)荷載：機(jī)動車道為城－A級；人群荷載按照《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CCJ 77—98）取值。

（4）建筑界限：橋下凈空不小于2 m，通行凈寬不小于10 m。

（5）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動峰值加速度0.05 g，對應(yīng)烈度6度，按7度構(gòu)造措施設(shè)防。

（6）環(huán)境類別：Ⅰ類。

（7）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1總體布置

該橋縱向?yàn)槠狡拢瑯蚩缬?jì)算跨徑為56 m，主梁長63 m，單跨異型拱橋，斜度為25°，橋梁垂直道路中心線寬度為34.5～44 m，橋?qū)挷贾脼?.25～5.0 m(觀景平臺)+3.0 m(人行道)+2.0 m(主拱及吊桿防護(hù)帶)+3.0 m(非機(jī)動車道)+9.0 m(機(jī)動車道)× 2+3.0 m(非機(jī)動車道)+2.0 m(主拱及吊桿防護(hù)帶)+ 3.0 m(人行道)+0.25～5.0 m(觀景平臺)。橋型布置立面圖和跨中橫斷面圖分別見圖2、圖3。

3.2拱肋

拱肋構(gòu)造分為三種形式：I型、II型和III型。I型為等截面1.5 m×1.5 m，板厚32 mm的鋼箱結(jié)構(gòu)，為拱肋中間段，II型和III型為鋼箱-混凝土變截面鋼混結(jié)構(gòu)，作為該橋拱腳，用于鋼箱拱肋與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁之間的銜接。兩榀拱肋間距為26 m，無風(fēng)撐連接。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345qd。

圖2　橋型立面圖（單位：m）

圖3　跨中橫斷面圖（單位：mm）

3.3主梁

上部結(jié)構(gòu)主梁采用“雙縱梁”橫斷面，每片拱肋對應(yīng)一道縱梁，在梁端吊桿處，兩道縱梁均設(shè)橫梁。兩道縱梁均為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁梁高1.8 m，外側(cè)腹板為斜腹板，中間及內(nèi)側(cè)均采用直腹板，箱梁外側(cè)翼緣板寬0.25～5 m，厚0.2～0.5 m；中橫梁采用“T”型預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)，端橫梁則采用抗彎剛度大的單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，梁高為1.8～1.935 m。

混凝土主梁材質(zhì)采用C50混凝土，其縱向和橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。

3.4吊桿

吊桿為考慮遠(yuǎn)期更換，采用雙吊桿面，吊桿面間距均為4.0 m，采用成品索體，吊桿與拱肋之間采用叉耳錨連接，吊桿索體采用塑包平行鋼絲束，鋼絲采用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，護(hù)套采用雙層，內(nèi)層為黑色高密度聚乙烯，外層為彩色高密度聚乙烯。該橋所有吊桿均采用平行鋼絲組成。

3.5下部結(jié)構(gòu)

每個(gè)橋臺下均布置兩個(gè)獨(dú)立的承臺，承臺尺寸長為7.5 m，寬為3 m，高為3 m，每個(gè)承臺下均布置兩根m鉆孔灌注樁。

4　設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

4.1合理拱軸線

有別于一般系桿拱拱圈（拱肋）合理拱軸線所采用對稱的懸鏈線或拋物線，即為正態(tài)曲線，該異型拱采用偏態(tài)的曲線，與此匹配的吊桿采用統(tǒng)一的斜率斜向布置，以期滿足拱肋受力更趨合理的需要，故拱肋線形的選取是一項(xiàng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。

該橋計(jì)算跨徑56 m，矢跨比采用1/3.5，矢高為16 m，拱軸線為偏態(tài)曲線，拱肋軸線上點(diǎn)座標(biāo)理論方程為：

式中：設(shè)置主梁中心線與拱軸線相交交點(diǎn)為座標(biāo)原點(diǎn)O，也即為上述拱軸線方程座標(biāo)變量起點(diǎn)；α為吊桿傾角50°；L為計(jì)算跨徑；f為矢高；X為坐標(biāo)軸上單位長度坐標(biāo)變量。

4.2拱肋穩(wěn)定性

由于橋面橫向較寬，且主梁為斜橋，兩榀拱肋按道路中心線為反對稱布置，不能設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)風(fēng)撐，因此拱肋自身截面剛度除滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求外，在設(shè)計(jì)時(shí)還須充分考慮其在各種實(shí)際狀態(tài)下的縱、橫向的穩(wěn)定性要求。

對于拱肋穩(wěn)定性考慮，該橋其一是在拱腳設(shè)置變截面，形成拱肋剛度逐漸增大的變化，其二是與拱腳交接處設(shè)置強(qiáng)大的端橫梁。

4.3拱腳鋼混結(jié)合段

主梁采用混凝土梁，拱肋采用鋼箱，鋼箱拱肋和混凝土梁之間的結(jié)合部是兩者組合的薄弱環(huán)節(jié)，因此拱腳結(jié)合部的設(shè)計(jì)成為該橋鋼混結(jié)合段應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)中通過大量計(jì)算分析，對國內(nèi)外類似工程進(jìn)行了研究探討，并對結(jié)合部位混凝土和鋼板的應(yīng)力分布，研究了結(jié)合部位局部的彎矩和剪力的傳力機(jī)制，得出了結(jié)合段最佳的截面構(gòu)造形式和剪力釘布置方式，設(shè)計(jì)中采用精軋螺紋鋼筋、剪力釘、粗鋼筋及PBL剪力鍵形式共同作用，有效解決了結(jié)合部鋼與混凝土之間力的傳遞。

5　上部結(jié)構(gòu)分析

對該橋建立Midas Civil空間有限元模型進(jìn)行總體靜力計(jì)算與屈曲穩(wěn)定性分析，計(jì)算模型見圖4。

計(jì)算模型中拱、主梁采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。系桿為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力模擬。模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)為281個(gè)節(jié)點(diǎn)，梁單元數(shù)為263個(gè)，桁架單元數(shù)為24個(gè)。

圖4　總港異型拱橋有限元分析模型

5.1靜力計(jì)算

預(yù)應(yīng)力混凝土主梁在正常使用階段短期荷載作用下，正截面最大拉應(yīng)力為-1.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)組合下，正截面最大壓應(yīng)力為8.6 MPa。主拱成橋階段拱腳處最大壓應(yīng)力為108 MPa。運(yùn)營階段拱腳處最大壓應(yīng)力為146 MPa?？梢姵蓸螂A段及運(yùn)營階段拱圈應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。圖5、圖6分別為成橋階段和正常運(yùn)營階段主拱應(yīng)力圖。

圖5　成橋階段主拱應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖6　運(yùn)營階段主拱最大應(yīng)力圖（單位：MPa）

5.2穩(wěn)定計(jì)算

運(yùn)營狀態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算分析考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、汽車活載、人群荷載和非機(jī)動車輛荷載等。計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1中可以看出:該橋成橋狀態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)相對較大，基本滿足規(guī)范中關(guān)于拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)的有關(guān)規(guī)定。

表1　成橋狀態(tài)的穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7和圖8為成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)圖。從失穩(wěn)模態(tài)圖知，該橋的拱肋失穩(wěn)模態(tài)均為面外側(cè)傾失穩(wěn)。

圖7　運(yùn)營狀態(tài)失穩(wěn)模態(tài)圖（穩(wěn)定安全系數(shù)14.5）

圖8　裸拱失穩(wěn)模態(tài)圖（穩(wěn)定安全系數(shù)50.4）

6　結(jié)　語

該工程實(shí)例作為城市景觀橋梁，充分體現(xiàn)了“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”的橋梁建筑設(shè)計(jì)原則，突破常規(guī)拱橋方案構(gòu)思，結(jié)構(gòu)形式新穎，景觀效果佳，在滿足橋梁結(jié)構(gòu)使用功能外，還很好地滿足了橋梁建筑與美學(xué)要求，使橋梁建筑風(fēng)格與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。該橋建成后使用體驗(yàn)良好，已成為當(dāng)?shù)匾坏懒聋惖慕ㄖL(fēng)景。

從結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)而言，異型拱橋受力特性與普通正型拱橋相比，系梁受力相差不大，主要差異其一是體現(xiàn)在拱肋受力的不均勻性，其二是吊桿斜率的變化對拱肋影響較大，因此異型拱橋設(shè)計(jì)時(shí)采用合理拱軸線與恰當(dāng)?shù)牡鯒U斜率，與普通正型拱橋一樣可以做到經(jīng)濟(jì)合理。

[1]李生智，王瑋瑤，鄔妙年.異型拱橋[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2]JTG D62－2004,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[S].

[3]金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土粱拱組合橋梁一設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M]．北京:人民交通出版社，2001．

[4]李喬，李麗.對于一種新型拱橋結(jié)構(gòu)的美學(xué)分析及內(nèi)力特性研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2003,29(2):107-109.

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U448.22

B

1009-7716（2016）10-0083-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.025

2016-06-28

陳泉（1976-），男，湖北黃岡人，碩士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。