曹發(fā)輝，鄭旭峰，梁 健

（四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都610041）

1 概 述

柳州廣雅大橋位于柳州市區(qū)，連接柳江市中心城區(qū)與河西片區(qū)[4]，大橋地理位置處于柳州市中心城區(qū)的特點決定了其景觀效果的重要性，根據(jù)橋型美觀實用的原則，采用中承式海鷗造型的鋼箱拱橋橋型方案（見圖1）。

圖1 計算模型簡圖

大橋全長1058 m，主橋為雙孔中承式鋼箱拱橋，長546 m，引橋為預應力混凝土連續(xù)梁。主橋橋面寬度為36 m，橋面布置為雙向六車道和兩側人行道。該橋拱肋之間除橋面位置處未設置任何橫向風撐，同時在常規(guī)的飛燕式拱橋基礎上增設副拱連接主拱與邊拱，造就了整座大橋空靈剔透、輕盈優(yōu)美的選型特點，具有獨特的結構和審美特色。

2 結構設計

2.1 總體設計及特點

廣雅大橋主橋全長546 m，孔跨布置為63 m+2×210 m+63 m，橋梁總體布置見圖2。本橋橋寬36 m，根據(jù)橋梁外觀造型及結構需要，橫向合理地采用雙拱肋布置方案，見圖3。為解決無風撐鋼箱拱的穩(wěn)定問題，橋面結構不采用漂浮體系，而將主拱圈設置于人行道和車行道之間，主拱圈與橋面結構進行交叉固結以提高其整體剛度，主拱、邊拱與橋面主縱梁形成一剛度較大的三角剛架，并利用水平系桿平衡大部分水平推力，因此本橋的結構體系屬于剛架系桿拱橋。

圖2 橋孔布置圖（單位：m）

圖3 主橋斷面（單位：cm）

為釋放橋面連續(xù)而產(chǎn)生的巨大水平力[5]，主梁設2 道240 型伸縮縫，位于邊墩三角剛架端部與中跨橋面加勁梁之間，該三角剛架端部設牛腿構造，中跨加勁梁端部通過拉壓支座擱置于牛腿上。

2.2 主拱與三角剛架

主跨拱圈為變截面懸鏈線鋼箱拱，鋼箱拱肋采用單箱單室截面，雙孔連拱體系，主跨的組合跨徑為210 m，凈矢跨比1/4，拱軸系數(shù)m=1.6；為適應拱肋內力的變化，截面高度從拱腳的4.5 m 漸變至拱頂?shù)?.5 m，采用沿水平方向1.5 次拋物線的變化規(guī)律。鋼箱拱肋寬度綜合考慮無橫撐的穩(wěn)定要求及景觀需要采用2.5 m，鋼箱的面板厚為28～40 mm；副拱高2.5 m，寬度與主拱同寬2.5 m，拱箱面板厚20 mm。

如2.1 節(jié)所述，本橋采用剛架系桿拱橋體系，三角剛架相當于與上部系桿拱橋固結的三角剛構橋墩，其斜腿部分為主跨拱圈的延續(xù)，對于兩邊的三角剛架而言，邊跨側的斜腿與主跨側斜腿呈對稱布置。斜腿截面尺寸即為鋼箱拱橋面以下部分的尺寸，與橋面梁交界處設箱型肋間橫梁，以將橫向兩片三角剛架連成一體，承擔整個上部結構的恒、活載并維持結構的穩(wěn)定。肋間橫梁高和寬均3 m，與橋面正交異性板共用頂板。

為提高三角剛架防船撞性能，斜腿鋼箱從拱腳至最高通航水位以上2.5 m 的位置灌注C50 自密實微膨脹混凝土，同時內灌混凝土作為拱腳鋼箱與拱座鋼混凝土過渡全斷面承壓連接（在拱腳與拱座之間張拉預應力鋼束）的需要。

2.3 加勁梁

無風撐拱圈的穩(wěn)定須征詢橋面結構的輕型化，因此在對比了結合梁橋面板、混凝土橋面板以及鋼橋面板后，確定橋面結構采用開口式的縱橫梁格正交異性板，截面采用雙主縱梁形式，見圖3～圖5。采用底板開口的正交異性板相對于全封閉鋼箱梁具有以下優(yōu)點：一、可以最大限度地根據(jù)結構的實際受力需求來設計各板件尺寸，從而節(jié)約鋼材；二、便于制造與安裝；三、底板開口后可大大改善通風條件，與密不透風的鋼箱梁相比，大大降低了鋼橋面鋪裝由于夏季高溫所帶來的熱穩(wěn)定性方面的病害。

圖4 主橋斷面（單位：cm）

圖5 橋面加勁梁照片

在邊跨與三角剛架區(qū)段由于跨徑較大，且對應于鋼箱拱的截面形式，主縱梁采用與鋼箱拱同寬的閉合箱形截面（見圖4）。而中跨吊桿區(qū)域的主縱梁則采用工字梁形式（見圖3），具有節(jié)約鋼材，便于制造、運輸和架設以及養(yǎng)護的優(yōu)點。橫梁除肋間橫梁采用剛度較大的箱形外，其余一般部位采用工字形梁，橫梁間距3 m。

2.4 吊桿與系桿

吊桿采用可調可換的19 根環(huán)氧涂層鋼絞線整束擠壓式吊桿, 吊桿縱向間距9 m，上端吊點構造采用鋼錨箱的形式（見圖3），下端吊點構造采用耳板銷接式以方便養(yǎng)護檢查（見圖6），且可解決短吊桿轉角較大而引起的疲勞損傷問題。系桿索采用4 束（單側）37 根環(huán)氧涂層鋼絞線整束擠壓式系桿體系以提高其耐久性，并方便維護和更換，兩端通過設置鋼錨箱錨固于三角剛架節(jié)點的異形鋼箱處（見圖7），系桿錨箱上方采用水密門進行密封。

圖6 橋面加勁梁照片

圖7 橋面加勁梁照片

3 結構設計特色

柳州廣雅大橋橋型獨特，造型新穎，是剛架系桿拱與梁拱協(xié)作體系有機融合而成的一種組合體系拱橋，結構線形流暢，充分體現(xiàn)了一種簡潔的美。參照本橋結構傳力體系見圖8，可看出本橋結構體系設計的主要構思和特點有：

圖8 結構體系傳力示意圖

（1）主跨為三角剛構與下承式系桿拱橋的組合體系，三角剛架的存在，減小了鋼箱拱的跨度（鋼箱拱的有效跨度由203 m 變?yōu)?50 m），增大了結構的跨越能力，三角剛架可理解為與上部系桿拱固結的下部結構（三角剛構橋墩），其優(yōu)點是抗推剛度大，施工和運營中起到抵抗邊、中跨不平衡內力的作用[5，6]；相對于一般的拱橋具有較好的抗震及防船撞性能[1]。

（2）本橋屬于梁－拱協(xié)作體系。鋼箱拱的副拱對邊跨起到支承作用從而增大了邊跨跨越能力，造就了連綿起伏、造型美觀的雙拱輪廓線；副拱和主拱以及三角剛構形成了穩(wěn)定的桁架體系，可改善拱腳部位的受力進而減小了拱圈截面，改變了常規(guī)拱橋粗大的拱體造型從而造就了大橋一種空靈剔透、獨特新穎的景觀特點。

（3）本橋把以上兩種體系進行有機的創(chuàng)新組合，同時采用雙主跨的連拱體系，進而形成了一新型的、不同于一般飛燕式拱橋的組合體系。

（4）出于景觀需求，本橋橋面以上的拱肋之間未設橫撐，避免了橫撐所帶來的桿件凌亂的缺點，具有橋型優(yōu)美、行車視野寬闊的優(yōu)點，且通過避免設置額外橫撐可將材料充分利用到改善結構靜力行為上，因為橫撐除了增強結構的穩(wěn)定性外別無他用，將橫撐的材料應用到拱本身除提高穩(wěn)定性外還可提高結構剛度及承受恒活載的能力。

4 結構設計關鍵技術

4.1 異形節(jié)點鋼箱設計

本橋梁拱交叉異形節(jié)點的設計是一個難點，三角剛架的橋面梁及拱肋均為單箱單室，兩者相交處形成異形節(jié)點，對面板貫通和面板連通方案（見圖9、圖10）進行了研究比選工作。所謂面板貫通是指拱箱頂?shù)装鍙墓澳_到拱頂一直貫通，穿過箱形主縱梁；主縱梁的箱梁頂?shù)装逶诠跋渫饨財嗖回炌?，與鋼箱拱的頂?shù)装逯苯雍附樱跋鋬葘谥髁嚎v箱頂?shù)装宓奈恢迷O水平橫隔板，保證主縱梁的水平傳力，拱和梁的側腹板采用異形的整塊板。面板連通方案的側腹板與貫通方案相同，但其余面板都不貫通，而是采用倒圓處理連通起來與側腹板形成一個帶有四肢的箱型空腔。

圖9 面板貫通方案

有限元分析表明兩種節(jié)點構造方案在受力上都是安全可靠的；鋼材用量方面，面板連通方案略少；對于制造工藝和構造方面，面板貫通方案焊縫較多而集中，且由于三角剛架縱梁承擔了剛性系桿的作用，因此縱梁與箱拱之間的焊縫始終處于受拉狀態(tài)，另外此焊縫連接為銳角形式，在活載的交替作用下存在疲勞隱患，而面板連通方案的焊縫集中及疲勞的問題相對較小。因此綜合比選后最終確定采用面板連通方案。

圖10 面板連通方案

異形節(jié)點設計的另外一個難點是在進行總體計算時采用單主梁模式無法準確的模擬結構實際剛度和重量，因此在總體計算建模時采用了梁單元和板單元混合有限元法（見圖11），橋面系和異形鋼箱采用板殼單元進行模擬，橋面系的縱橫格子梁及拱肋等采用梁單元，異形節(jié)點板殼單元與梁單元之間采用剛性連接的方式實現(xiàn)銜接過渡（見圖12），圖13 為節(jié)點的Von Mises 屈服應力圖，最大應力為150 MPa，位于倒圓角附近，其他部位應力均較小，一般不超過100 MPa。采用混合有限元方法既可以彌補梁單元模型無法計算構件局部受力的不足，又可克服局部板殼模型無法準確模擬其邊界條件和邊界力的缺點，計算可靠性和計算效率都得以提高。

圖11 計算模型

圖12 異形節(jié)點計算模擬

圖13 異形節(jié)點計算結果

4.2 伸縮縫的設置

由于三角剛架抗推剛度較大，且本橋為三個剛架的雙孔連拱體系，在橋面結構連續(xù)的情況下，橋面梁在溫差作用下會產(chǎn)生巨大的水平力，從而使得三角剛架受力嚴重不均及基礎的水平力過大，因此須考慮梁體設置伸縮縫以釋放溫度力。由于中跨和三角剛架段的主縱梁截面形式不同，因此首先考慮主橋中間設置4 道伸縮縫，均位于中跨橋面梁的兩端，但伸縮縫過多會降低行車舒適性，且對于正交異性板，伸縮縫位置處較難養(yǎng)護；另外須在中跨橋面梁的兩端設置阻尼器以解決地震力作用下的縱向漂移問題。因此優(yōu)化為只設置2 道伸縮縫，但涉及到中跨工字形主縱梁與三角剛架箱形主縱梁的過渡連接問題，經(jīng)過分析研究后在三角剛架箱梁端部增設一道中央縱腹板與工字形縱梁的腹板進行連接，增設的縱腹板兩側設置三道橫隔板與箱形縱梁邊腹板連接，以完成豎向剪力向邊腹板的傳遞，并在異形鋼箱內與加勁肋倒圓銜接，使得應力擴散均勻過渡。

伸縮縫設置后，主墩基礎所受水平推力大大減小，同時結合主拱合龍前的起頂與壓重，使得基礎受力更加均勻，最終形成對主墩基礎只有很小水平推力和彎矩的拱橋[7]，大大降低了基礎工程的規(guī)模和造價，使拱橋基礎更為輕巧。

伸縮縫的設置對結構穩(wěn)定也有影響，經(jīng)計算伸縮縫設置4 道和2 道時的穩(wěn)定系數(shù)分別為8.4 和10.3，伸縮縫個數(shù)對穩(wěn)定有影響的根本原因在于吊桿的非保向力效應—吊桿和橋面系對拱肋面外變形有著約束作用，而吊桿非保向力作用的大小又與橋面剛度有關，伸縮縫減少后相當于橋面系的整體剛度得到了提高，從而使結構穩(wěn)定性也得以提高。

4.3 結構穩(wěn)定研究

本橋由于主拱圈之間不設置橫撐，因此其穩(wěn)定成為重中之重的問題，除了采用適度增加拱肋橫向寬度以及鋼箱拱面板壁厚的措施以增加拱圈的橫向剛度外，還從以下幾個方面來提高結構穩(wěn)定性：一、充分利用三角剛架、拱梁固結和設計副拱等構造，提高橋梁整體剛度，在兩片鋼箱拱之間橋面位置處設置剛度較大的肋間箱形橫梁，并采用整體橋面系，減少伸縮縫個數(shù)，可充分利用吊桿的非保向力效應，從而大大提高了拱的穩(wěn)定。對于吊桿非保向力提高拱肋面外穩(wěn)定的效果，按以下方法進行了論證：首先對橋面以上的拱肋考慮采用裸拱模型進行分析，將橋面的恒活載所產(chǎn)生的吊桿力作為集中力施加于拱肋上，經(jīng)計算穩(wěn)定系數(shù)為5.9，與考慮橋面系的整體模型的穩(wěn)定系數(shù)10.3 相比，可看出吊桿非保向力效應對拱的穩(wěn)定提高可達75%。二、本橋為景觀需要而設置的副拱同時也可提高主拱的穩(wěn)定性。有無副拱兩種工況下穩(wěn)定系數(shù)分別為10.3 和9.6，由此可見副拱的設置對主拱圈的穩(wěn)定具有一定的貢獻，其原因在于本橋不像設置橫撐的拱橋主要依靠設置橫向風撐來減小拱圈的自由長度從而提高其而外穩(wěn)定性，而是靠自身橫向剛度來保證面外的穩(wěn)定，副拱的存在對主拱提供了部分橫向剛度，從而提高了主拱的穩(wěn)定性。三、盡量減小初偏心、初曲率等初始缺陷對拱肋橫向穩(wěn)定的影響，在大橋的施工過程中對鋼箱拱的橫向偏位嚴格按照±1 cm 的誤差進行控制。

本橋除進行了線彈性穩(wěn)定分析外，同時研究了考慮材料非線性和幾何非線性的第二類穩(wěn)定問題，材料非線性采用Mises 屈服準則和雙線性的應力應變曲線模擬；幾何非線性的分析考慮了拱頂L/800的橫向偏差，并按一階彈性屈曲模態(tài)進行分布作為初始缺陷，計算時考慮橫向風載的影響，經(jīng)計算彈塑性穩(wěn)定（極限承載力）安全系數(shù)為3.6。

5 結 語

柳州廣雅大橋位于柳州市區(qū)，除具有交通功能外，還應具有較好的建筑特點。橋梁結構充分利用三角剛架、拱梁固結和設置副拱等構造，提高橋梁整體剛度，保證橫向穩(wěn)定與動力性能而取消設置橫撐，既保證了橋梁安全性和經(jīng)濟性，又提高了橋梁行車的通透性和觀賞性，成為柳州市的重要景點。

通過對結構受力體系和構造的設計優(yōu)化，達到力學與美學的結合統(tǒng)一，是城市橋梁的設計理念。對于中承式鋼箱拱橋，充分利用橋面結構作為拱肋之間的橫撐，采用剛架系桿拱橋與設置副拱的梁—拱協(xié)作體系拱橋的復合體系結構，既可使各構件材料得到充分的利用，同時解決拱的穩(wěn)定和改善結構的靜力行為，又可避免設置額外的橫撐，達到結構輕巧、造型美觀的目的，但對結構體系應進行充分的研究和優(yōu)化，并進行詳盡的計算分析，使之受力更趨于合理。