王鵬

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 廣東 廣州 510060)

1 工程概況

東莞市濱海灣新區(qū)位于珠三角城市群東西岸交匯處，地處粵港澳大灣區(qū)核心圈的幾何中心，毗鄰港澳，緊連穗深，與前海、南沙等國(guó)家自貿(mào)片區(qū)緊密連接，由交椅灣、沙角半島和威遠(yuǎn)島三大板塊組成。

濱海灣大道位于東莞市濱海灣新區(qū)長(zhǎng)安新區(qū)板塊，大致呈東西走向，西起虎門鎮(zhèn)濱海大道、東至交椅灣大道，沿線與13條規(guī)劃路相交，并跨越兩條河道和兩處水體。濱海大道路線全長(zhǎng)約5.52 km，規(guī)劃紅線寬80 m，主線雙向八車道+輔道單向兩車道，道路等級(jí)為城市主干路。

濱海灣大道跨越沙涌設(shè)置一座橋梁，全長(zhǎng)120 m，橋梁全寬80 m。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 橋型方案設(shè)計(jì)

濱海灣大道沙涌橋所跨越河涌寬度約100 m，橋面較寬，景觀要求較高。一般的梁式橋，諸如連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)橋，施工技術(shù)成熟、施工相對(duì)簡(jiǎn)便，橋型外觀簡(jiǎn)潔，是非常經(jīng)濟(jì)的橋型。但其景觀效果一般，且對(duì)于相對(duì)較寬的橋面會(huì)顯得十分笨重和臃腫。因此，在該項(xiàng)目中不宜采用。而對(duì)于斜拉橋與懸索橋，100 m左右的跨徑太小，不是其經(jīng)濟(jì)跨徑，也難以體現(xiàn)出其雄偉的氣勢(shì)。此外，較窄的河面上采用較高的橋塔，環(huán)境景觀上會(huì)顯得突兀，與環(huán)境適應(yīng)性較差。

拱橋作為一種古老的橋型，由于其線形優(yōu)美，跨越能力較強(qiáng)，特別是下承式鋼箱系桿拱橋其拱肋的尺寸較小，造型更加輕柔明快。而且這種橋型可以做成單跨簡(jiǎn)支體系，無(wú)外部多余約束，特別適合在地質(zhì)條件不好的濱海地區(qū)修建。因此，沙涌橋采用下承式系桿拱橋作為推薦方案。

該橋橫縱比例比常規(guī)橋偏大，用常規(guī)的拱橋，如單拱或雙拱，會(huì)讓整座橋呆板臃腫，力學(xué)上無(wú)法支承如此寬闊的橋面。為了化解這種現(xiàn)象，該橋采用多拱的方式。多拱力學(xué)性能好，造型變化豐富，能營(yíng)造強(qiáng)烈的空間感受。

橋型方案在運(yùn)用多拱組合的基礎(chǔ)上，提取浪花元素，運(yùn)用體量對(duì)比的多拱呼應(yīng)浪花的造型，以簡(jiǎn)潔明快的姿態(tài)，展現(xiàn)東莞濱海灣新區(qū)的動(dòng)感與活力。方案采用3條拱肋，中間主拱位于橋中央，吊桿垂直且僅拉一面；兩側(cè)邊拱位于輔路與干道之間，并向外傾斜與路面呈約75°夾角，吊桿分別拉在輔路及人行道兩側(cè)，呈現(xiàn)出浪花的動(dòng)感。平面上通過(guò)人行道的蜿蜒變化，營(yíng)造出與浪花遙相呼應(yīng)的感覺(jué)。橋梁日景效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁效果圖

2.2 橋型總體布置

橋梁所處位置河涌寬度約100 m，橋面到水面的距離不大，且河涌邊設(shè)有親水步道。為了使橋下行人獲得比較開(kāi)闊的視野，采用一跨跨越河涌。因此，采用120 m下承式系桿拱橋，其立面布置如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖(單位：m)

根據(jù)道路總體設(shè)計(jì)，該橋橫斷面主線設(shè)置雙向八車道，輔道設(shè)置雙向四車道，兩邊設(shè)置人行道和非機(jī)動(dòng)車道。全橋總寬度為80 m，采用整幅設(shè)計(jì)，其橫斷面如圖3所示。

圖3 橋梁橫斷面布置圖(單位：m)

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：城市快速路。

設(shè)計(jì)車速：主線60 km/h，輔道40 km/h。

設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載：城—A級(jí)；人群荷載：3.0 kN/m2。

環(huán)境類別：Ⅲ類。

地震烈度：抗震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.125g。

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100，百年一遇潮水位3.46 m。

通航標(biāo)準(zhǔn)：該橋無(wú)通航要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋結(jié)構(gòu)為拱梁組合下承式剛性系桿拱橋。主拱采用三拱肋鋼箱結(jié)構(gòu)，主拱處于豎直面內(nèi)，兩邊拱向外傾斜，中間不設(shè)橫撐。主梁采用縱、橫梁交錯(cuò)的梁格體系，拱肋下設(shè)置主縱梁，兼起到系桿的作用，梁端拱腳及吊桿斷面設(shè)置主橫梁，其余位置設(shè)置次縱梁與次橫梁。橋面采用鋼組合結(jié)構(gòu)，鋼橋面板上焊剪力釘并澆筑50 mm厚 STC(Super Toughness Concrete-STC超高韌性混凝土)層，再在其上攤鋪40 mm厚瀝青混凝土磨耗層。

4.1 拱肋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主拱肋位于橋面中央，采用變截面鋼箱拱肋，拱腳與鋼箱縱梁固結(jié)，計(jì)算跨度為116.0 m，設(shè)計(jì)矢高為38.00 m，矢跨比為1∶3.05，拱軸線采用二次拋物線。

主拱肋采用倒梯形變截面箱形斷面，鋼箱高1.6～2.2 m，鋼箱頂寬2.0～3.0 m，鋼箱底寬1.6～2.45 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面處頂、底板厚均為20 mm，腹板厚為16 mm。在梁拱結(jié)合部，拱肋頂?shù)装寮雍駷?0 mm，腹板加厚為25 mm。

除梁拱結(jié)合部、吊桿對(duì)應(yīng)部位、拱肋分段處外，主拱肋沿水平方向間距2.5 m設(shè)置一道橫隔板；梁拱結(jié)合部與鋼箱梁相對(duì)應(yīng)的橫隔板鉛垂設(shè)置，板厚與鋼箱梁內(nèi)一致[1]；吊桿孔處橫隔板鉛垂設(shè)置；其余橫隔板垂直拱軸線設(shè)置[2]。

主拱肋頂板、底板、腹板以及梁拱結(jié)合部中間板上均焊有板式縱向加勁肋，加勁肋貫穿拱內(nèi)各橫隔板。在豎直隔板處斷開(kāi)與其焊接連接。

邊拱肋采用變截面鋼箱拱肋，拱腳與鋼箱梁固結(jié)，計(jì)算跨度116.0 m，豎向投影設(shè)計(jì)矢高23.5 m，矢跨比1∶4.936，斜拱平面內(nèi)拱軸線采用二次拋物線。

邊拱肋采用變截面箱形截面，鋼箱高2.0～3.0 m，鋼箱頂寬2.0～3.0 m，鋼箱底寬1.6～2.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板、腹板厚均為40 mm。拱肋頂?shù)装寮雍駷?0 mm，腹板加厚為50 mm。其余構(gòu)造與主拱相同。

4.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用縱橫向梁格體系。與拱肋及邊吊桿相對(duì)應(yīng)位置設(shè)置主縱梁，采用單箱雙室鋼箱形斷面。主拱肋下縱梁鋼箱高1.8 m，寬3.0 m。邊拱肋下縱梁鋼箱高1.5 m，寬4.0 m。邊吊桿縱梁鋼箱高1.2 m，寬2.0 m。鋼箱頂板厚度為20 mm，底板及腹板厚度均為16 mm[3]。主縱梁之間每隔3.0 m左右設(shè)置次縱梁，次縱梁為倒“T”字形，與橋面鋼板焊接。次縱梁腹板高度為1.0 m，底板寬度為0.4 m，底板及腹板厚度均為16 mm。

主縱梁之間采用橫梁連接，其中梁端拱腳位置設(shè)置端橫梁，采用單箱多室截面，由于受橋面橫坡的影響，箱梁采用變高度設(shè)計(jì)，鋼箱高1.2～1.8 m，寬度為8.0 m，鋼箱頂、底板厚度為25 mm，腹板厚度為20 mm。在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置吊桿橫梁，縱橋向間距為5.0 m。吊桿橫梁采用單箱雙室箱形斷面，梁高亦為1.2～1.8 m，寬度為2.0 m，鋼箱頂、底板及腹板厚度均為16 mm。在兩道吊桿橫梁之間設(shè)置次橫梁，次橫梁為倒“T”字形，與橋面鋼板焊接。次橫梁腹板高度為0.5 m，底板寬度為0.4 m，底板及腹板厚度均為16 mm。

4.3 吊桿設(shè)計(jì)

吊桿采用高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護(hù)套[4]。吊桿上端采用耳板式錨固錨于拱箱外側(cè)，吊桿下端為張拉端，通過(guò)外加鋼板調(diào)平錨固于梁底。

中間主拱位于橋中央，吊桿垂直且僅拉一面，共設(shè)20根吊桿，吊桿縱橋向間距為5 m，采用PES(FD)5-73型低應(yīng)力防腐拉索[5]，公稱破斷索力2 393 kN。兩側(cè)邊拱向外傾斜與路面呈約75°夾角，吊桿分別拉在輔路及人行道兩側(cè)。輔路側(cè)設(shè)置20根吊桿，采用PES(FD)7-127型低應(yīng)力防腐拉索，公稱破斷索力8 162 kN。人行道側(cè)設(shè)置16根吊桿，采用PES(FD)5-55型低應(yīng)力防腐拉索，公稱破斷索力1 803 kN。

5 計(jì)算分析

5.1 計(jì)算模型

該橋結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)下承式系桿拱橋，采用空間有限元分析軟件對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)用Midas/Civil軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算參考設(shè)計(jì)圖紙的內(nèi)容，以國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范作為計(jì)算參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。主梁采用空間梁格模擬，拱肋采取梁?jiǎn)卧M，吊桿分析選用桁架單元模擬方法。全橋共劃分為3 014個(gè)單元，2 386個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 全橋計(jì)算模型

5.2 施工階段劃分

根據(jù)施工總體安排，共劃分8個(gè)施工階段：

階段1：完成樁、承臺(tái)及橋臺(tái)施工，并在支架上安裝主梁。

階段2～4：分段吊裝拱肋直至所有拱肋合龍。

階段5：安裝吊桿，并施加初始張拉力。

階段6：拆除拱肋支架。

階段7：拆除主梁支架。

階段8：完成橋面防撞欄,橋面鋪裝等附屬工程施工。

5.3 主要計(jì)算結(jié)果

5.3.1 靜力計(jì)算結(jié)果

在作用的基本組合下，主拱拱肋的最大拉應(yīng)力為69.8 MPa，最大壓應(yīng)力為150.3 MPa。邊拱拱肋全截面處于受壓的狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為230.0 MPa?？v梁大部分處于受拉的狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為197.0 MPa，縱梁所受的壓應(yīng)力較小，最大也只有28.2 MPa。橫梁的最大拉應(yīng)力為210.2 MPa，最大壓應(yīng)力為183.1 MPa。各構(gòu)件截面應(yīng)力均未超過(guò)規(guī)范允許值。

主拱吊桿最大拉力為804.5 kN，安全系數(shù)達(dá)3.0。邊拱靠輔路側(cè)吊桿最大拉力為2 842.4 kN，安全系數(shù)達(dá)2.9。邊拱靠人行道側(cè)吊桿最大拉力為481.5 kN，安全系數(shù)達(dá)3.7。所有吊桿的安全系數(shù)均大于規(guī)范要求(2.5)。

在汽車活載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的撓度如圖5所示。

圖5 全橋汽車活載撓度圖

由計(jì)算結(jié)果可知：汽車活載作用下，主梁的最大撓度為36.8 mm，主拱拱肋的最大撓度為29.5 mm，邊拱拱肋的最大撓度為27.7 mm。均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的L/500=240 mm，說(shuō)明該橋的剛度足夠大，滿足規(guī)范要求。

5.3.2 動(dòng)力特性分析

通過(guò)選用子空間迭代法，對(duì)全橋自振特性進(jìn)行計(jì)算分析，具體結(jié)果如表1所示。

表1 自振頻率及振型

根據(jù)自振特性分析結(jié)果，采用了更多的振型參與動(dòng)力計(jì)算；結(jié)構(gòu)整體采用鋼結(jié)構(gòu)下承式系桿拱橋體系，1階頻率達(dá)到1.435 Hz，結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

5.3.3 穩(wěn)定性分析

全橋穩(wěn)定性分析考慮全部恒載以及滿布汽車活載的工況。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2表明：該橋的1階失穩(wěn)模態(tài)安全系數(shù)為12.058，滿足規(guī)范要求。

表2 失穩(wěn)模態(tài)及特征值

6 結(jié)論

東莞市濱海灣大道沙涌橋在運(yùn)用多拱組合的基礎(chǔ)上，提取浪花元素，運(yùn)用體量對(duì)比的多拱呼應(yīng)浪花的造型，以簡(jiǎn)潔明快的姿態(tài)，展現(xiàn)東莞濱海灣新區(qū)的動(dòng)感與活力。該文主要介紹了該橋的總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并采用Midas/Civil軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析整理。計(jì)算結(jié)果表明該橋承載能力以及橋梁剛度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。得出以下結(jié)論：

(1) 采用單跨下承式系桿拱橋體系，外部為簡(jiǎn)支的靜定結(jié)構(gòu)體系，特別適合于濱海環(huán)境地質(zhì)條件較差的地區(qū)。

(2) 該橋結(jié)構(gòu)體系合理，各構(gòu)件受力滿足規(guī)范要求。由主拱、邊拱組成的3片異形拱結(jié)構(gòu)，具有良好的穩(wěn)定性。

(3) 中間主拱所承受的荷載并不大，但由于其只設(shè)置了豎直吊桿，且沒(méi)有設(shè)置橫撐，所以需要足夠的截面尺寸保證主拱的穩(wěn)定性，中間主拱也是控制全橋穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

(4) 邊拱向外傾斜的角度為15°，拱肋受力十分不利，應(yīng)合理地確定吊桿力，確保拱肋結(jié)構(gòu)應(yīng)力和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。