楊秀珍

（安徽華運(yùn)設(shè)計(jì)咨詢股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

傳統(tǒng)拱橋?yàn)橛型屏Φ膲簭澖Y(jié)構(gòu)，與同等跨度的梁式橋相比，拱腳的水平推力減少了拱跨中和支點(diǎn)彎矩，因此材料用量比梁式橋經(jīng)濟(jì)。為了平衡拱腳的水平推力，需要較好的地質(zhì)條件承受水平力，因此適于在巖石埋藏較淺的地區(qū)建造，而在軟土地區(qū)，有推力拱橋的跨徑受到限制，且要采取平衡水平推力的措施。隨著預(yù)應(yīng)力混凝土、高強(qiáng)鋼絲斜拉索等技術(shù)的發(fā)展，可以在兩個(gè)拱腳之間設(shè)置系桿來平衡水平推力，因此拱橋的建設(shè)突破了地域限制，廣泛應(yīng)用于全國(guó)各地。系桿拱橋包括：上承式、中承式和下承式三種形式，拱肋可采用鋼箱結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等，橋面系可采用預(yù)應(yīng)力混凝土的梁格結(jié)構(gòu)、橫梁結(jié)構(gòu)結(jié)合橋面板的體系、閉口混凝土箱形結(jié)構(gòu)、閉口或開口的鋼箱結(jié)構(gòu)等[1-5]。

早在20世紀(jì)60年代初，單承載面橋梁結(jié)構(gòu)就因?yàn)槠湫问狡嫣?、?jīng)濟(jì)美觀、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而開始被設(shè)計(jì)師們重視。這種結(jié)構(gòu)將承載面設(shè)在中央帶，不僅有利于行車安全，而且不會(huì)產(chǎn)生行車壓抑感，給人寬廣無(wú)阻的美感。單承載面的下承式梁拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)，更是由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力合理、行車通透、外形新穎、技術(shù)先進(jìn)，體現(xiàn)了時(shí)代的步伐。

馬涌大橋位于廣州市海珠區(qū)珠江后航道濱水地區(qū)馬涌與珠江交匯處，橋梁跨越馬涌無(wú)通航要求。主橋采用L=100 m下承式系桿拱橋，橋梁起點(diǎn)與河涌正交，終點(diǎn)與河涌斜交，斜交角為50°。河涌北側(cè)由于拆遷問題，需增加道路兩側(cè)通行的通道，故在北側(cè)增加一孔10 m的預(yù)制空心板橋，橋下凈空為3.5 m。橋梁全長(zhǎng)為120.271 m，橋?qū)?0 m。考慮雙向四車道通行并預(yù)留雙向有軌電車車道，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)，人群荷載：2.4 kN/m2。橋面系采用單拱肋下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用一字形橋墩或橋臺(tái)，1號(hào)橋墩正交，2號(hào)橋臺(tái)斜交（斜交角為50°），承臺(tái)厚3.2 m，橋臺(tái)基礎(chǔ)采用?150 cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋的技術(shù)特點(diǎn)在于河涌交匯口橋位的結(jié)構(gòu)處理、梁拱組合式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)受力分析、單肋式拱肋造型四個(gè)方面。本文以該橋的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從橋型方案研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析，全面介紹該橋的設(shè)計(jì)過程。

1 橋梁方案研究

1.1 建設(shè)條件分析

該橋位于馬涌水體與珠江相連處，其水位受珠江潮汐控制，主要依靠水閘與排澇泵站調(diào)節(jié)河涌水位，馬涌主要功能是蓄澇、排污，平時(shí)水流流速較小，對(duì)河岸沖蝕不大。廣州地區(qū)多年平均氣溫21.8℃，7月份最高氣溫平均為28.4℃，1月份最低溫度平為13.3℃,日極端最高氣溫為38.7℃,日極端最低氣溫為0℃,平均相對(duì)濕度79%。根據(jù)《廣東省地震烈度區(qū)劃圖》劃分，場(chǎng)地地震基本烈度為VII度區(qū)，特征周期0.35 S，地震加速度的設(shè)計(jì)值取0.1g。

1.2 橋梁設(shè)計(jì)原則

（1）橋型要“安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用、耐久”；（2）工程方案的新穎性和合理性；（3）結(jié)構(gòu)形式的合理性，是否便于組織施工；（4）總體布置的合理性，是否與周圍建筑物及地形相協(xié)調(diào)；（5）環(huán)境及景觀設(shè)計(jì)是否協(xié)調(diào)優(yōu)美。

1.3 橋梁總體設(shè)計(jì)

在橋位比選上，比較了正交橋位和一端正交一端斜交橋位，因正交橋位接近1/3的橋面落在岸上，影響景觀效果，故推薦采用一端正交一端斜交的橋位方案，這樣增加了橋梁設(shè)計(jì)難度。在橋跨布置上，控制橋梁縱斷設(shè)計(jì)的因素有：河涌北側(cè)的通道凈空、百年一遇設(shè)計(jì)水位等?？紤]非機(jī)動(dòng)車道及有軌電車的通行能力，確定2%的縱坡，并配以R=2 800 m的豎曲線。水利部門要求橋墩布置宜避開堤身斷面（從堤岸線向陸地8 m范圍），故橋梁主跨采用1孔100 m跨越河道，同時(shí)北側(cè)預(yù)留道路兩側(cè)通行的通道，設(shè)一孔10 m的預(yù)制空心板橋。

1.4 橋型方案比較

初步設(shè)計(jì)階段推薦采用雙拱肋形式，拱肋采用鋼箱拱肋，系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱形截面。初步設(shè)計(jì)評(píng)審專家組意見如下：原則同意采用下承式單跨拱橋，現(xiàn)設(shè)計(jì)采用雙拱肋型式，景觀效果較差，建議改為單拱面下承式拱；可考慮將鋼箱拱肋改為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，以利保養(yǎng)和降低造價(jià)。根據(jù)專家組和業(yè)主方面意見，施工圖設(shè)計(jì)階段改為單肋式拱橋，同時(shí)征求廣州市水務(wù)局意見后，最終確定跨徑為100 m的單肋拱橋，起點(diǎn)正交，終點(diǎn)斜交，拱肋采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，加勁縱梁采用大懸臂梯形單箱多室等截面箱梁。一端正交一端斜交的單肋式拱橋橋型與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，同時(shí)水中沒有立墩大大減小施工難度。

1.5 上部結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

對(duì)方案的拱軸線、矢跨比、吊桿間距、梁高和拱高等進(jìn)行分析研究，從而確定主橋方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.5.1 拱軸線

系桿拱橋吊桿一般為豎直向布置，橋面荷載通過吊桿傳遞給主橋，假定吊桿力比較密集接近均布荷載，忽略拱肋自重對(duì)拱肋線性影響后，合理拱軸線為對(duì)稱的二次拋物線。該橋的拱軸線采用二次拋物線。

1.5.2 失跨比

拱橋中肋拱的計(jì)算矢高S與計(jì)算跨徑L之比（S/L）稱為矢跨比，它不但影響主拱圈內(nèi)力的大小，還影響拱橋的構(gòu)造形式和施工方法的選擇，同時(shí)影響拱橋與周圍景觀的協(xié)調(diào)。該橋綜合以上幾個(gè)方面的考慮，選用的矢跨比為1/5。

1.5.3 吊桿間距

吊桿間距的布置應(yīng)與橫梁的布置相匹配，而橫梁的布置要綜合橋面板和橫梁的受力需求。該橋采用拱梁組合結(jié)構(gòu)，加勁縱梁采用大懸臂梯形單箱多室等截面箱梁與拱肋構(gòu)成剛梁柔拱體系，橫梁間距可適當(dāng)加大以減少吊桿數(shù)量。經(jīng)研究比較后，其吊桿取6 m間距。

1.5.4 梁高和拱高

拱梁組合是該橋的特點(diǎn)，單拱面的設(shè)計(jì)既要保證橋梁的穩(wěn)定性，又要確保景觀效果。該橋的設(shè)計(jì)思路是在合理范圍內(nèi)權(quán)衡拱肋和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的構(gòu)造尺寸。該橋跨徑為100 m，橋?qū)挒?0 m，作為加勁縱梁的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用大懸臂梯形單箱五室等截面，懸臂5 m，跨中梁高3 m，端橫梁處加厚至4 m。拱肋采用鋼筋混凝土箱形截面，高2.6 m，寬3.5 m，拱腳段采用鋼筋混凝土實(shí)心截面。

1.6 下部結(jié)構(gòu)形式分析

下部結(jié)構(gòu)形式的比較包括：樁型和樁徑的選擇、雙排樁及梅花型布置方案的比較。該橋位于馬涌水體與珠江相連處，橋址區(qū)內(nèi)分布的地層表層為充填土、淤泥，其下為粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉沙巖、微風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、微風(fēng)化粉砂巖。中間微風(fēng)化泥巖層厚度約4 m，揭露深度較淺。經(jīng)過樁型比選，以微風(fēng)化粉砂巖為樁端持力層的嵌巖樁比摩擦樁具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，該橋按嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。橋墩及橋臺(tái)均采用一字式結(jié)構(gòu)，樁基基礎(chǔ)采用群樁方案。正交端順橋向立柱及承臺(tái)尺寸分別為3.86 m、7.86 m，若采用雙排樁的方案，必然導(dǎo)致斜交端樁基間距太大，采用三排樁的方案又會(huì)導(dǎo)致樁間距太小，經(jīng)過比選，最終采用三排樁梅花型布置的方案。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋總體布置及其效果圖見圖1、圖2所示。

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 主橋效果圖

（1）道路等級(jí)：城市次干道；（2）設(shè)計(jì)車速：30 km/h；（3）設(shè)計(jì)車道：雙向6車道，其中預(yù)留2條有軌電車車道；（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 a，吊桿設(shè)計(jì)使用年限為20 a，欄桿、伸縮裝置及支座等設(shè)計(jì)使用年限為 15 a；（5）橋面縱坡為 2.0%；（6）橋面橫坡：行車道2%人字坡，自行車道及人行道1%向內(nèi)單面坡；（7）橋梁寬度：橋面寬度為40 m，斷面組成為：5.25 m（欄桿、人行道、自行車道）+7.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+4.5 m（有軌電車）+5.5 m（防撞護(hù)欄及拱肋、吊桿）+4.5 m（有軌電車）+7.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+5.25 m（自行車道、人行道、欄桿）=40 m；（8）汽車荷載等級(jí)：城-A 級(jí)，人群荷載：2.4 kN/m2；（9）設(shè)計(jì)風(fēng)速：橋位區(qū)地面以上10 m高度處，頻率1%的10 min平均風(fēng)速為31.3 m/s；（10）抗震設(shè)防等級(jí)：地震加速度峰值0.1 g(基本烈度為Ⅶ度)，按照城市橋梁抗震設(shè)防分類，該橋?yàn)橐翌?；?1）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100，該項(xiàng)設(shè)計(jì)以百年一遇洪水位7.8 m作為設(shè)計(jì)水位。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

1跨100 m單肋拱為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)伸縮縫；支座采用盆式橡膠支座；拱肋為混凝土結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁做為水平系桿，同時(shí)承受拱的水平推力和橋面行車系，正交端橫梁與縱梁正交，斜交端橫梁與縱梁斜交，斜交角為50°。

2.3 加勁縱梁及橫梁

加勁縱梁采用大懸臂梯形單箱多室等截面箱梁與拱肋構(gòu)成剛梁柔拱體系，設(shè)計(jì)線處梁高3 m，頂板采用2%的雙向橫坡，端橫梁處加厚至4 m；箱寬40 m，懸臂5 m，采用單箱五室斜腹板箱梁截面，頂板0.28 m，底板0.25 m，端橫梁處頂、底板均加厚至0.35 m。外側(cè)斜腹板厚0.45 m，吊桿通過處腹板厚0.5m，其它腹板厚0.4 m?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用 12?s15.2、15?s15.2、17?s15.2、19?s15.2 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

全橋共設(shè)16道預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，其中有2道端橫梁、14道中橫梁。端橫梁采用箱形截面，梁寬3.7 m，高4 m；中橫梁采用矩形截面，厚0.3 m漸增厚至0.5 m，斜交橫梁厚由0.3 m漸增厚至0.6 m。中橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用 11?s15.2、12?s15.2、13?s15.2的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，端橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用12?s15.2的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。

橋面板橫向預(yù)應(yīng)力采用4?s15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，縱向間隔0.5 m設(shè)一根。

箱梁一般構(gòu)造詳見圖3所示。

2.4 拱肋

拱肋的理論計(jì)算跨徑為100 m，計(jì)算矢高20 m，矢跨比1/5，理論拱軸線方程為：Y=4X/5-X2/125(坐標(biāo)原點(diǎn)為理論起拱點(diǎn))。拱肋采用C40鋼筋混凝土箱形截面，高2.6 m，寬3.5 m，頂板及底板0.65 m，腹板0.65 m，拱腳段采用C50鋼筋混凝土矩形截面。

2.5 吊桿

圖3 箱梁一般構(gòu)造圖

拱肋設(shè)28根吊桿，吊桿間距為6 m。吊桿采用LZM7-211Ⅰ型吊桿，吊桿標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 670 MPa；吊桿張拉采用單端張拉，張拉端設(shè)于橫梁底部，拱頂為錨固端。

2.6 橋墩、橋臺(tái)與基礎(chǔ)

橋墩及橋臺(tái)均采用一字式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用三排梅花型布置的群樁基礎(chǔ)，背墻厚0.8 m，支座處設(shè)橋墩立柱，橫橋向共設(shè)三個(gè)立柱，寬度依次為2.5 m、7.0 m、2.5 m，縱橋向?qū)挾葹?3.86 m，承臺(tái)平面尺寸為40 m×7.86 m，厚3.2 m。群樁基礎(chǔ)樁直徑為 ?1.5 m。

2.7 施工方法

采用“先梁后拱”的方法進(jìn)行施工，即先在支架上整體現(xiàn)澆縱梁、橫梁，而后搭支架澆筑鋼筋混凝土拱肋，再施工吊桿，拆除臨時(shí)支架。吊桿及縱橫梁的預(yù)應(yīng)力鋼束分兩次進(jìn)行張拉。

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

3.1 技術(shù)先進(jìn)

采用一端正交一端斜交的單肋式梁拱組合結(jié)構(gòu)，橋?qū)掃_(dá)40 m，在國(guó)內(nèi)罕見。混凝土拱與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線吊桿組成一共同受力的新結(jié)構(gòu)體系。兩種結(jié)構(gòu)組合后，能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。拱以受壓為主，能很好地發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)；水平推力則由預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁承受，從而使橋下部結(jié)構(gòu)特別是基礎(chǔ)因無(wú)水平力而使造價(jià)和施工難度降低；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗彎能力強(qiáng)，能很好地承受拱傳來的水平推力，起到普通系桿中系桿的作用。除此以外，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁還是橋面行車系，將普通系桿拱橋系桿和橋面行車系合二為一。由于箱梁是通過吊桿與拱連成整體，因此箱梁的截面可不隨跨徑的增大而增大。單肋式梁拱組合結(jié)構(gòu)是一種很有推廣價(jià)值和應(yīng)用前景的橋梁結(jié)構(gòu)。

3.2 造型美觀

單肋拱將傳統(tǒng)系桿拱的兩片分布置于橋兩邊的拱合二為一，橋面上僅一片拱，給人一種耳目一新、線條明快之感。橋面中央的單片拱圈，不僅自然形成橋面中央分隔帶，較之一般兩片拱圈在橋面兩邊的中承式拱或下承式拱，橋面視野更加寬闊，既不干擾視線，亦不會(huì)使人產(chǎn)生壓抑感。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)空間靜力計(jì)算

計(jì)算采用midas軟件，采用空間梁格法模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)建立有限元模型，吊桿用桁架單元模擬，縱梁、橫梁和拱肋均用梁?jiǎn)卧M，主橋共劃分為七片縱向梁格，全橋在縱向梁格節(jié)點(diǎn)間以橫向梁格傳遞作用力。設(shè)計(jì)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載和沖擊力、有軌電車荷載、人群荷載、溫度荷載、制動(dòng)力或牽引力、風(fēng)力等。分別按照《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）和《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）進(jìn)行計(jì)算分析。該模型的計(jì)算目的是：（1）縱梁及橫梁施工階段應(yīng)力驗(yàn)算、承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度驗(yàn)算及正常使用極限狀態(tài)下的抗裂驗(yàn)算；（2）拱肋軸心及偏心抗壓承載力驗(yàn)算、裂縫驗(yàn)算；（3）吊桿應(yīng)力驗(yàn)算；（4）預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力驗(yàn)算；（5）支座反力計(jì)算。

4.2 結(jié)構(gòu)局部計(jì)算

主要針對(duì)拱梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部受力分析，局部實(shí)體模型采用通用有限元軟件CIVIL FEA進(jìn)行建模。該局部模型為正交段拱肋與箱梁結(jié)合段，與實(shí)際橋梁比例為1：1。局部模型的長(zhǎng)度為12.85 m，橫縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋按設(shè)計(jì)圖紙建立，混凝土為C50，鋼筋材料為1 860鋼絞線。該局部模型壓應(yīng)力均在承載能力范圍內(nèi)，但有局部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力的情況；出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位主要集中在梁拱結(jié)合處與支座處；梁拱結(jié)合處橫橋向和縱橋向的拉應(yīng)力較小，基本不超過1 MPa；在支座處及梁拱結(jié)合處布置相應(yīng)的普通鋼筋，以防止混凝土拉裂。

4.3 結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算模型同靜力計(jì)算模型，屈曲驗(yàn)算時(shí)，定義自重、二恒、預(yù)應(yīng)力和吊桿力為不變量，汽車活載為變量，對(duì)拱橋逐級(jí)加載，采用特征值分析方法，進(jìn)行屈曲模態(tài)分析。經(jīng)過分析計(jì)算，彈性屈曲系數(shù)最小為26.55。根據(jù)拱橋施工規(guī)范，拱肋安裝誤差應(yīng)小于同時(shí)應(yīng)不大于3 cm，可知該橋容許安裝誤差為3 cm。其幾何非線性，采用加結(jié)構(gòu)重力的方法對(duì)拱肋進(jìn)行屈曲分析。分析結(jié)果表明，7倍自重作用下，拱肋側(cè)向變形正常，8倍自重作用下，拱肋變形發(fā)散而屈曲。屈曲安全系數(shù)最小為6.38。屈曲分析結(jié)果表明該橋具有足夠的穩(wěn)定安全系數(shù)。

4.4 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

地震力采用反應(yīng)譜方法計(jì)算，分別考慮E2地震水平面內(nèi)順橋向X和橫橋向Y的地震作用，特征周期0.35 S，水平向基本地震加速度的設(shè)計(jì)值取0.1g，Ⅱ類場(chǎng)地?？拐鹩?jì)算采用“假定土彈簧法”考慮樁土共同作用，采用耦合主從節(jié)點(diǎn)的方法模擬支座。強(qiáng)度驗(yàn)算表明，主梁在恒荷載+地震荷載的偶然組合下，主梁、橫梁、拱肋和吊桿的強(qiáng)度足夠。在地震荷載作用下，會(huì)在固定和單向活動(dòng)支座上產(chǎn)生較大的水平支反力，支座的選擇應(yīng)根據(jù)計(jì)算選擇專門的抗震支座。在地震荷載作用下，在滑動(dòng)支座上產(chǎn)生的水平位移最大為20 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

單肋式梁拱組合橋梁中，同時(shí)作為承受拱水平推力的系桿和作為橋面行車系的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，具有較大的橫向剛度，半寬橋面加載時(shí)其應(yīng)變和變形均很小，橋?qū)?0 m采用單箱五室的箱形截面橫向受力是有保證的。

穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，該橋的穩(wěn)定安全系數(shù)大于5，因此認(rèn)為3.5 m寬的單片拱的穩(wěn)定安全度是有保證的，當(dāng)然，橋面小于40 m時(shí)單片拱的寬度可適當(dāng)減小。

單肋式梁拱組合橋梁空間結(jié)構(gòu)變形小，受力明確，是一種好的受力體系，適用于60～150 m、景觀要求較高的城市橋梁。

該橋?qū)υO(shè)計(jì)過程中的拱肋、梁拱組合結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)尺寸的確定，以及受力分析進(jìn)行了專門的探討研究，可供類似橋梁設(shè)計(jì)時(shí)參考。