鄧小偉

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

徐海路位于江蘇省新沂市，是規(guī)劃的中心城區(qū)三條東西向通道型主干路之一。沭河發(fā)源于山東沂蒙山南麓，呈南北流向，縱貫新沂城區(qū)中部，是整個(gè)城區(qū)的生態(tài)走廊，沭河景觀帶已成為市區(qū)一道靚麗的風(fēng)景線。

徐海路沭河大橋是徐海路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是連接沭河兩岸的重要通道，也是沭河景觀帶的重要景觀節(jié)點(diǎn)。該橋所屬道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)車(chē)速為40 km/h，橋面按雙向六車(chē)道、兩側(cè)布置非機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道設(shè)計(jì)，橋下預(yù)留30 m寬通航孔，橋位區(qū)地震設(shè)防烈度為8度（0.2g）。

2 橋梁總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

全面貫徹“功能適用、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)耐久、造型美觀、環(huán)境協(xié)調(diào)、有利環(huán)?！焙凸こ炭蓪?shí)施性的總技術(shù)目標(biāo)，以安全和功能為基礎(chǔ)，橋梁造型兼顧經(jīng)濟(jì)性和景觀性，且與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)。

2.2 橋跨布置分析

橋位處沭河主河槽寬度約160 m，兩側(cè)河灘與堤身斷面寬度約35～40 m，根據(jù)堤防規(guī)范及河道管理部門(mén)要求，跨越大堤的跨徑至少達(dá)到40 m，中間還剩余170 m，橋下需預(yù)留30 m寬遠(yuǎn)期通航孔（見(jiàn)圖 1）。

圖1 橋梁布跨分析圖

按照常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，中間170 m可考慮采用三跨或五跨布置，主跨規(guī)模在40～80 m（見(jiàn)表1）。

表1 主橋布跨方案一覽表

2.3 橋型方案設(shè)計(jì)

根據(jù)城市總體規(guī)劃，沭河景觀帶上的橋梁分布如圖2所示。

圖2 沭河景觀帶橋梁分布圖

從橋型上來(lái)看，除了北京路橋和馬陵山路橋，其余老橋以預(yù)制梁橋?yàn)橹?。從?jīng)濟(jì)性考慮，橋梁應(yīng)優(yōu)先采用造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工快捷的裝配式預(yù)制混凝土梁或常規(guī)適用的變高度連續(xù)梁橋；從景觀性考慮，作為沭河景觀帶的重要節(jié)點(diǎn)、沭河北段的景觀高地，該橋應(yīng)包含適當(dāng)?shù)臉蛏辖ㄖ哂斜匾木坝^功能；從與周?chē)h(huán)境的協(xié)調(diào)考慮，橋上建筑高度不宜過(guò)高，避免顯得突兀。

經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)制梁橋、變高度連續(xù)梁橋、連續(xù)梁拱組合橋、斜拉橋等橋型方案進(jìn)行深入比選，綜合考慮上下游橋梁狀況、遠(yuǎn)期通航要求、橋梁施工方法以及城市橋梁的景觀需求等，最終確定采用兼顧經(jīng)濟(jì)性和景觀性的連續(xù)梁拱組合橋方案。

區(qū)別于常規(guī)的梁拱組合橋，該橋做了一些改進(jìn)：在拱腳處增設(shè)了輔助拱，使拱的線形更加平滑、順暢，進(jìn)一步美化了橋梁景觀；兩片拱之間不設(shè)橫撐，使得景觀更加簡(jiǎn)潔，視野更加通透。方案效果如圖3所示。

圖3 連續(xù)梁拱組合橋方案效果圖

2.4 橋梁總體布置

主橋?yàn)椋?5+80+45）m連續(xù)梁拱組合橋，兩側(cè)引橋?yàn)?0 m、40 m跨徑的簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁。主橋橫斷面布置如圖4所示。

圖4 主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

新沂位于地震設(shè)防烈度8度區(qū)，橋梁結(jié)構(gòu)體系需要重點(diǎn)考慮地震影響。為了降低地震影響、優(yōu)化下部結(jié)構(gòu)受力，該橋采用了拱梁固結(jié)、梁墩分離的連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，并在墩頂設(shè)置減隔震支座。

不同于常規(guī)的梁拱組合橋，該橋采用先梁后拱、主梁懸臂澆筑的施工方案，可以最大限度地減少水中支架和阻水效應(yīng)，有利于施工期間的河道行洪安全，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，滿足河道管理部門(mén)的要求。懸臂施工的方法也決定了該橋以連續(xù)梁受力為主、鋼拱受力為輔的特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，鋼拱及吊桿僅承擔(dān)中跨17%的恒載與48%的活載，絕大部分荷載由主梁承受，這樣在充分發(fā)揮主梁承載力與剛度優(yōu)勢(shì)的前提下，有利于減少主拱受力，優(yōu)化拱肋截面尺寸，不僅可以提高橋梁的景觀效果，降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，還能有效節(jié)省工程投資[1]。

3.2 主梁

主梁采用三跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，中支點(diǎn)梁高4.4 m，邊支點(diǎn)和跨中梁高2.4 m，梁底按二次拋物線變化。主梁縱橋向設(shè)置14道橫隔梁及4道橫梁，邊支點(diǎn)橫梁厚1.5 m，中支點(diǎn)橫梁厚3 m，吊桿處橫隔梁厚0.5 m。主梁橫斷面采用整幅單箱五室箱形斷面，箱梁總寬40 m，底板總寬30 m，兩側(cè)設(shè)置5 m大挑臂，挑臂下縱向每4 m左右設(shè)置一道橫肋支撐，橫肋厚0.3 m。

邊箱室在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置橫隔梁，吊桿錨固在梁底，梁底內(nèi)設(shè)置圓形張拉孔，張拉孔滿足錨杯錨固的空間要求，預(yù)留檢修蓋板進(jìn)行封錨。

箱梁預(yù)應(yīng)力分為主梁縱向與橫梁橫向預(yù)應(yīng)力，均按預(yù)應(yīng)力混凝土A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

3.3 拱肋

拱肋由主拱和副拱組成，主拱為重要受力構(gòu)件，副拱主要起裝飾作用，均采用鋼結(jié)構(gòu)。主拱跨度80 m，矢高16 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。副拱跨度34 m，拱軸線為圓弧，半徑R=200 m。拱肋劃分為主拱拱腳段、主拱標(biāo)準(zhǔn)段、副拱拱腳段、副拱標(biāo)準(zhǔn)段以及拱肋結(jié)合段（見(jiàn)圖5）。

圖5 拱肋分段示意圖（單位：mm）

主拱拱腳段位于中墩處主梁上方，鋼拱通過(guò)混凝土拱座與箱梁內(nèi)的實(shí)體段相連接。主拱肋錨入混凝土拱座3 m，傳力構(gòu)造包括通過(guò)剪力釘、PBL剪力鍵以及預(yù)應(yīng)力錨固鋼束等構(gòu)造措施。預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋粗鋼筋，預(yù)應(yīng)力同時(shí)也能改善混凝土拱座的拉應(yīng)力。

主拱標(biāo)準(zhǔn)段采用矩形鋼箱截面，寬1.5 m，高1.5 m。頂、底板、腹板厚度均為20 mm，加勁肋厚20 mm，高220 mm。鋼拱肋自身隔板順橋向間距2 m，隔板厚度16 mm，并存在局部間距調(diào)整。為避開(kāi)一般橫隔板，吊桿錨固隔板采用局部半高隔板形式，板厚30 mm。

副拱拱腳段位于邊跨主梁頂面，兩者之間采用四氟滑板支座連接。拱腳底面設(shè)計(jì)為圓柱曲面，可釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束。為保證支座能長(zhǎng)久地滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，副拱拱腳處的側(cè)面鋼板經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，兼作防塵擋板。

主拱拱腳段與主拱標(biāo)準(zhǔn)段之間為拱肋結(jié)合段，為主拱與副拱的相交結(jié)合段，采用變截面鋼箱截面處理。兩條單箱單室鋼拱肋合并為一單箱單室斷面。

3.4 吊桿

吊桿在主橋中跨布置，順橋向間距4 m，共28根，橫橋向距離橋梁中心線12.75 m，橫橋向、順橋向完全對(duì)稱。采用PES7-37型號(hào)的高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲束吊桿，錨具為冷鑄墩頭錨，安全系數(shù)K≥2.5。吊桿上端構(gòu)件與拱肋連接，每根吊桿對(duì)應(yīng)一根橫隔梁，吊桿下端構(gòu)件（張拉端）內(nèi)置于主梁橫隔梁內(nèi)。

3.5 橋墩與基礎(chǔ)

主橋中墩采用橫向分離雙墩的形式，墩柱中心距離道路中心線均為8.25 m。墩身厚3 m，墩高9.048 m，墩身頂寬12 m，墩身底寬8.809 m，外傾角為10°，每個(gè)墩頂對(duì)稱布置兩個(gè)支座，支座間距8.5 m。由于景觀造型需要，墩頂兩支座之間做挖孔處理。主橋中墩每個(gè)墩柱下承臺(tái)厚3 m，平面尺寸為14.6 m×9.6 m。承臺(tái)下布置11根?1600 mm鉆孔灌注樁，梅花形布置。

主橋邊墩也采用橫向分離雙墩形式，基礎(chǔ)采用 ?1200 mm鉆孔灌注樁。

4 施工方案

主橋采用先梁后拱的施工方案，主梁采用掛籃懸臂施工，主拱采用分節(jié)段預(yù)制，在支架上拼裝[2]。主橋主要施工步驟如下，示意圖如圖6所示。

（1）在枯水期搭設(shè)棧橋與施工圍堰，進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工。

（2）中墩采取臨時(shí)固結(jié)措施，支架上施工主梁0＃段和拱座。

（3）采用掛籃依次施工主梁1#～8#段。

（4）主梁邊跨合龍，解除中墩臨時(shí)固結(jié)。

（5）主梁中跨合龍，釋放支座縱橋向臨時(shí)鎖定。

圖6 主橋施工步驟示意圖

（6）在梁上搭設(shè)支架，節(jié)段拼裝鋼拱肋。

（7）安裝并按照指定順序張拉吊桿到設(shè)計(jì)索力。

（8）拆除棧橋，完成橋面系等附屬施工。

5 計(jì)算分析

5.1 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析采用有限元軟件midas/Civil 2015建立三維模型，進(jìn)行靜力、動(dòng)力特性分析以及抗震計(jì)算。計(jì)算模型中主梁、拱肋、橋墩、承臺(tái)均離散為空間梁?jiǎn)卧鯒U采用空間桁架單位模擬，基礎(chǔ)采用“六彈簧”模擬（見(jiàn)圖7）。

圖7 空間有限元模型

主橋采用拉索減震支座[3]，在進(jìn)行靜力、動(dòng)力特性分析以及地震作用反應(yīng)譜分析時(shí)，假定固定支座為鉸接約束，滑動(dòng)支座滑動(dòng)方向?yàn)樽杂?；在進(jìn)行E2地震下非線性時(shí)程分析時(shí)，支座采用非線性單元模擬，考慮支座的摩擦耗能作用；減隔震裝置采用能夠描述其力學(xué)特性的非線性連接單元模擬，拉索減震支座采用滯回模型與勾單元、間隙單元組合模擬。拉索減振支座力學(xué)模型如圖8所示。其中，K1為非線性分析工況的屈服前剛度，Ks為非線性分析工況拉索剛度，U0為拉索減震支座的自由程，F(xiàn)s為支座摩擦力。

引橋采用鉛芯橡膠支座，在進(jìn)行E2地震下非線性時(shí)程分析時(shí)，支座采用非線性單元中的滯回模型模擬?；謴?fù)力模型如圖9所示。其中，Ku為屈服前剛度，Kd為屈服后剛度，Keff為等效剛度，F(xiàn)y為鉛芯屈服力，Δy為屈服位移，Dd為設(shè)計(jì)位移。

圖8 拉索減震支座力學(xué)模型

圖9 鉛芯橡膠支座恢復(fù)力模型

5.2 靜力計(jì)算

施工階段按照設(shè)計(jì)施工步驟進(jìn)行模擬，計(jì)算方法及內(nèi)容按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）、《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）以及《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）等規(guī)范執(zhí)行。

主梁主要計(jì)算結(jié)果：長(zhǎng)期、短期組合下，主梁上下緣均有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，正截面抗裂滿足要求；短期組合下，中支點(diǎn)附近最大主拉應(yīng)力為1.2 MPa＜1.325 MPa，斜截面抗裂滿足要求；標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁最大壓應(yīng)力為12.4 MPa，滿足抗壓驗(yàn)算要求；撓度驗(yàn)算、短暫狀況驗(yàn)算及承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

承載能力極限狀態(tài)基本組合下，拱肋上緣正應(yīng)力為-112.4～59.3 MPa，下緣正應(yīng)力為-111.6～44.3 MPa，剪應(yīng)力為 -15.2～15 MPa；考慮有效寬度影響后，拱肋應(yīng)力放大系數(shù)為1.003，考慮整體穩(wěn)定后，拱肋應(yīng)力放大系數(shù)為1.56，拱肋最大正應(yīng)力為176 MPa＜270 MPa，最大剪應(yīng)力為15.2 MPa＜155 MPa，滿足規(guī)范要求。

標(biāo)準(zhǔn)組合下，吊桿最大軸力為926 kN，其破斷力為2 378 kN，安全系數(shù)K=2.57＞2.5；活載疲勞最大應(yīng)力幅為102 MPa＜160 MPa，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）第13.2.2條的要求。

5.3 整體穩(wěn)定分析

該橋兩片拱之間不設(shè)橫撐，拱肋的橫向穩(wěn)定值得關(guān)注。

施工過(guò)程裸拱階段，以結(jié)構(gòu)自重為可變荷載，一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為62，表現(xiàn)為拱肋面外失穩(wěn)。成橋運(yùn)營(yíng)階段，將結(jié)構(gòu)自重、二期荷載、車(chē)輛荷載、人群荷載、風(fēng)荷載均定義為可變荷載，一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為13.6，也表現(xiàn)為拱肋面外失穩(wěn)，如圖10所示。

圖10 成橋運(yùn)營(yíng)階段主橋一階屈曲模態(tài)

5.4 抗震分析

5.4.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)

該橋抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，需采用兩級(jí)抗震設(shè)防：E1地震作用下，結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無(wú)損傷，震后可立即使用；E2地震作用下，不產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固，可供緊急救援車(chē)輛通行。

5.4.2 地震作用

主橋采用連續(xù)梁拱組合橋，為8度區(qū)的拱式結(jié)構(gòu)，需考慮水平向和豎向地震作用。反應(yīng)譜分析時(shí)，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）第5.2條取值；時(shí)程分析時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，合成與其兼容的設(shè)計(jì)加速度時(shí)程，數(shù)量不少于三組，且保證兩兩相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值小于1[4]。

5.4.3 地震作用分析

E1地震采用多振型反應(yīng)譜法（MM），振型組合采用CQC組合，根據(jù)試算結(jié)果，計(jì)算中振型取前30階，方向輸入：①縱向+豎向；②橫向+豎向。計(jì)算方向上有效振型參與質(zhì)量達(dá)到該方向結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的90%，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，E1縱向輸入下，主墩縱向限位支座剪力為6 871 kN；E1橫向輸入下，主墩橫向限位支座剪力為12 080 kN，均超過(guò)支座水平承載力5 000 kN，支座剪力銷(xiāo)剪斷，轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)支座，隔離上下部結(jié)構(gòu)，減少地震力傳遞，并利用摩擦耗散能量，同時(shí)由拉索限制由此造成的過(guò)大動(dòng)位移。此時(shí)應(yīng)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。減隔震支座發(fā)揮作用，應(yīng)力求上部結(jié)構(gòu)、橋墩和基礎(chǔ)不受損傷，基本在彈性工作范圍，可只進(jìn)行E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

E2地震作用下，減隔震支座發(fā)揮作用，支座滯回曲線如圖11、圖12所示。

圖11 主橋拉索減震支座的滯回曲線

圖12 引橋鉛芯橡膠支座的滯回曲線

采用減隔震支座與普通支座相比，主墩受力顯著減少，墩底與承臺(tái)底彎矩僅為原來(lái)的13%～18%（見(jiàn)表2）。橋墩與基礎(chǔ)的抗彎、抗剪強(qiáng)度以及樁基承載力均滿足規(guī)范要求。

表2 減隔震前后主墩內(nèi)力對(duì)比

主、引橋支座的變形驗(yàn)算見(jiàn)表3。

表3 主、引橋支座變形驗(yàn)算

主、引橋梁端相對(duì)位移為20 cm（見(jiàn)圖13），梁端間隙設(shè)置為24 cm，滿足要求；引橋過(guò)渡墩處梁端相對(duì)位移為4 cm（見(jiàn)圖14），梁體間隙設(shè)置為16 cm，滿足要求；臺(tái)背與梁端相對(duì)位移為5.5 cm（見(jiàn)圖15），間隙設(shè)置為16 cm，滿足要求。

圖13 主、引橋梁端相對(duì)位移時(shí)程

圖14 引橋過(guò)渡墩處梁端相對(duì)位移時(shí)程

圖15 臺(tái)背與梁端相對(duì)位移時(shí)程

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述介紹，對(duì)該橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）主橋采用（45+80+45）m=170 m 的連續(xù)梁拱組合橋，混凝土主梁厚重敦實(shí)，為主要承重構(gòu)件；鋼拱造型輕盈優(yōu)美，為輔助受力構(gòu)件，并顯著提升了橋梁景觀。梁拱組合橋兼具經(jīng)濟(jì)性與景觀性，是城市橋梁中極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一。

（2）主橋采用先梁后拱、主梁懸臂澆筑的施工方案，可以最大限度地減少水中支架和阻水效應(yīng)，有利于施工期間的河道行洪安全，大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)，滿足河道管理部門(mén)的要求。

（3）區(qū)別于常規(guī)的梁拱組合橋，該橋做了一些改進(jìn)：在拱腳處增設(shè)了輔助拱，使拱的線形更加平滑、順暢，進(jìn)一步美化了橋梁景觀；兩片拱之間不設(shè)橫撐，使得景觀更加簡(jiǎn)潔，視野更加通透，同時(shí)拱肋的橫向穩(wěn)定驗(yàn)算也滿足要求。

（4）橋梁位于高烈度地震區(qū)，采用減隔震設(shè)計(jì)，極大地減小了橋墩與基礎(chǔ)的受力與規(guī)模，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。主橋采用拉索減震球鋼支座，在強(qiáng)震作用下通過(guò)支座滑動(dòng)面隔離上下部結(jié)構(gòu)，減少地震力傳遞，并利用摩擦耗散能量，同時(shí)由拉索限制地震引起過(guò)大的位移。