李甲丁，李升玉，張海平，于智光

（東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

1 概述

本項目工程位于西寧市城北區(qū)北川河河谷地帶，是青海西寧環(huán)境綜合治理利用世行貸款項目城市排水收集管網(wǎng)工程配套橋梁工程之一。濱河西路屬北川河綜合治理核心區(qū)規(guī)劃城市道路，道路等級為城市支路，雙向兩車道，道路紅線寬度18 m，設(shè)計速度20 km/h，汽車荷載為城-B 級。

北川河為黃河上游重要支流湟水河的一級支流，古稱蘇木蓮河。河道在橋位處分為內(nèi)外河，內(nèi)河為在原有老河道基礎(chǔ)上改造而成的北川河濕地公園生態(tài)景觀河道；外河為新建60 m 寬人工河道，主要承擔(dān)防洪任務(wù)，內(nèi)外河被人工堤壩相隔。

通過多輪的比選和優(yōu)化，經(jīng)過主管部門及相關(guān)專家綜合評價后，確定依次跨越內(nèi)河、外河的兩跨空間鋼拱橋方案為實施方案（見圖1）。橋梁方案設(shè)計采用“群山、飛鳥”為意向，以雄偉壯麗的昆侖山脈為背景，通過鮮活的造型之美，營造具有活力、時尚、大氣文化氣息的結(jié)構(gòu)形態(tài)。方案高低起伏、躍躍欲飛的藝術(shù)動感造型，彰顯出西寧大氣、活潑的城市氣質(zhì)[1]。

圖1 濱河西路橋效果圖

2 總體設(shè)計

橋梁采用兩跨空間鋼拱橋，分別斜跨北川河內(nèi)河和外河，跨徑布置為95 m+110 m=205 m，橋梁范圍平面位于R=220 m 的圓曲線、A=104.881 m 的緩和曲線及直線段上，含兩側(cè)橋臺側(cè)墻全長236.5 m，含兩側(cè)各1.5 m 吊桿區(qū)橋面總寬21 m，按整幅橋設(shè)計[2]（見圖2）。

圖2 橋梁平立面布置圖（單位：m）

拱結(jié)構(gòu)為兩跨有推力無鉸連拱體系，拱肋為平行四邊形鋼箱截面，拱肋在混凝土橋臺側(cè)墻、中墩拱座處固結(jié)，中墩處相鄰拱跨部分水平力相互抵消，其余水平力由墩臺群樁基礎(chǔ)承受，樁基持力層為中風(fēng)化泥巖。

主梁結(jié)構(gòu)為兩跨連續(xù)梁體系，采用單箱三室?guī)эL(fēng)嘴扁平鋼箱梁截面，墩臺處設(shè)置球鋼支座。主梁與拱肋僅通過吊桿連接。吊桿為放射狀空間索面，在拱肋處集中錨固于拱頂區(qū)域，在主梁跨中0.45～0.65 倍跨徑范圍等間距錨固。鋼拱梁均采用Q345qE 材質(zhì)，吊桿為1 860 MPa 整束擠壓鋼絞線拉索。

中墩拱腳處設(shè)置下沉式階梯狀弧形觀景梯道（見圖3），使市政道路人行系統(tǒng)與河堤堤頂既有游步道相連，豐富了行人的觀景體驗和層次?；⌒纹脚_采用縱橫梁+整體鋼橋面板的空間鋼結(jié)構(gòu)，通過T 形變高鋼托板形成1∶3 坡率臺階，頂面為50 mm 厚塑木鋪裝。

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：m）

梯道在主梁處通過多個板式橡膠支座支座支承于鋼箱梁風(fēng)嘴區(qū)隔板，縱橫梁交點處通過多個矩形混凝土立柱支承于拱座承臺頂面，梯道落地處支承于擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面。

橋梁施工采用先梁后拱的施工順序，內(nèi)河搭設(shè)鋼管樁少支架，分節(jié)段吊裝主梁縱橫向節(jié)段，外河根據(jù)防汛要求采用鋼箱梁整體節(jié)段頂推施工。完成主梁拼接后在主梁上搭設(shè)拱肋支架，進(jìn)一步完成拱肋節(jié)段拼裝。

為適應(yīng)當(dāng)?shù)馗吆０?、?qiáng)日照、高紫外線的氣候條件，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)耐久性，鋼拱外表面涂裝方案為噴砂除銹Sa3.0 級+120 μm 電弧熱噴鋅鋁合金+30 μm環(huán)氧封閉漆+150 μm 環(huán)氧云鐵中間漆+100 μm 聚硅氧烷面漆。

本橋為復(fù)雜空間異形景觀橋梁，設(shè)計過程中存在諸多傳統(tǒng)設(shè)計手段無法表達(dá)的問題，因此本項目采用Rhino 概念設(shè)計→CATIA—BIM 正向設(shè)計→Midas Civil 總體分析→Ansys 局部分析→輔以AutoCAD 二維出圖的設(shè)計流程來實現(xiàn)。二維圖紙中所需的參數(shù)通過Grasshopper 參數(shù)化編程從三維模型中批量導(dǎo)出，設(shè)計成果除常規(guī)紙質(zhì)二維圖紙外，同步提交三維BIM 模型（見圖4）。

圖4 全橋BIM 模型（達(dá)索CATIA）

3 空間拱軸線設(shè)計

常規(guī)大跨徑拱橋平面一般位于直線段，即使位于圓曲線上時也往往采用彎橋直做的設(shè)計手段，通過加大橋面寬度及拱肋間距來適應(yīng)平曲線矢高，以保證橋面車道連續(xù)。

拱肋一般也位于豎直平面或斜平面上，根據(jù)跨徑、吊桿布置形式等結(jié)構(gòu)受力因素常采用圓弧線、拋物線、懸鏈線或直線+圓弧組合的折線型拱軸線。

由于本橋平面位于小半徑圓曲線（R=220 m）、緩和曲線及直線段上,采用常規(guī)設(shè)計思路將拱肋均布置于一平面內(nèi)時，需拉開拱肋間距，拱腳在墩臺處與主梁間距遠(yuǎn)，主梁與拱肋結(jié)構(gòu)景觀整體性不好，且橋梁占地紅線較大。本橋結(jié)合道路線形及墩臺布置，通過沿路線方向扭轉(zhuǎn)拱軸線（見圖5）以滿足結(jié)構(gòu)整體性及視覺上的美觀要求。

圖5 拱軸線空間扭轉(zhuǎn)

由于拱軸線布置在空間扭面，采用圓弧線等常規(guī)拱軸線線形時均存在線形表述困難、過渡不順等問題，因此本橋拱肋拱軸線采用空間樣條曲線擬合，通過從BIM 模型中導(dǎo)出拱軸線及控制截面（見圖6），導(dǎo)入總體計算模型后經(jīng)計算反饋調(diào)整（見圖7），使拱軸線能兼顧結(jié)構(gòu)受力與外觀線形。

圖6 BIM 模型中空間拱軸線導(dǎo)出（cad 格式）

圖7 三維桿系計算模型（Midas Civil）

為便于施工單位加工制造及紙質(zhì)圖紙表述，間隔一定距離給出拱軸線、外輪廓、橫隔板定位點坐標(biāo)。廠家結(jié)合BIM 模型進(jìn)行深化設(shè)計，并逐段定制匹配胎架，使定位點之間的板件通過平順的弧線過渡，以保證設(shè)計拱軸線及拱肋外形效果得以完整的展現(xiàn)。

4 多邊形變截面多肢拱肋設(shè)計

4.1 多肢拱肋設(shè)計

本橋為有推力無鉸拱體系，95 m 跨及110 m 跨鋼拱肋中心線最高點距橋面分別為30 m、36 m，矢跨比分別約為1/3.17 和1/3.06，拱肋與鋼梁之間僅通過吊桿連接。鋼箱拱肋單肢為斜平行四邊形斷面，傾角65°～75°，截面尺寸及形式沿拱軸線全長變化，斷面變化形式如下：主拱分別在拱頂處相交，呈整體梯形斷面，拱頂向兩側(cè)逐漸變寬，分叉后斷面變?yōu)槠叫兴倪呅?。之后拱肋向橋臺方向沿軸線逐漸變窄變高；拱肋再次分開為兩肢，斷面均為平行四邊形；拱肋向橋梁中墩方向分叉后沿軸線變窄變高，再次分開為橫向雙肢（見圖8）。

圖8 平行四邊形拱肋過渡變化示意

鋼箱拱肋壁板厚為20～30 mm，局部根據(jù)受力有調(diào)整，縱向加勁肋為板式肋，間距為400～500 mm。普通橫隔板與拱軸線垂直，標(biāo)準(zhǔn)間距2 m，板厚14 mm，吊桿處設(shè)鉛錘橫隔板，板厚20 mm。典型鋼拱肋斷面見圖9。

圖9 典型鋼拱肋斷面（單位：mm）

由于拱肋截面尺寸及角度不斷變化，橫隔板的尺寸各不相同，通過參數(shù)化批量建立全橋橫隔板模型并提取橫隔板輪廓線及尺寸數(shù)據(jù)信息用以輔助繪制二維紙質(zhì)圖紙。

由于拱肋存在多處豎向、橫向分肢結(jié)構(gòu)，因此板件在分肢處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造是設(shè)計需要考慮的重點。已建成的景觀鋼拱橋分肢結(jié)構(gòu)一般為明顯的主次受力結(jié)構(gòu)[3]，以主肢受力為主，分肢受力較小（見圖10）。本橋拱肋橫豎向分肢均為主要受力結(jié)構(gòu)，因此對于分肢處的構(gòu)造需采用與之不同的構(gòu)造形式。

圖10 部分已建成景觀拱橋鋼拱分肢構(gòu)造

本橋拱肋分肢處參考三塔懸索橋中鋼塔的底部分叉點設(shè)計構(gòu)造[4]，采用坡口熔透傳力的局部構(gòu)造形式以保證板件的均勻傳力。拱肋分肢板在交匯前由斜腹板逐漸扭轉(zhuǎn)為直腹板，并在距離交匯點150 mm附近設(shè)置加厚橫隔板來加強(qiáng)局部穩(wěn)定性（見圖11）。

圖11 分肢點熔透傳力構(gòu)造示意（單位：mm）

經(jīng)結(jié)構(gòu)計算承載能力極限狀態(tài)下除拱肋處拱腳局部最大應(yīng)力值約為210 MPa外，其余應(yīng)力基本在100～150 MPa，拱腳處經(jīng)ANSYS 局部模型分析后實際板件應(yīng)力除局部應(yīng)力集中點外均小于150 MPa（見圖12）。

圖12 Y 形拱腳節(jié)點局部分析（ANS YS）

采用彈性穩(wěn)定理論對拱肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，拱肋結(jié)構(gòu)在恒載+活載+風(fēng)載工況下屈曲系數(shù)為27.1＞4，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋橫彎（見圖13），表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定安全性。

圖13 一階失穩(wěn)模態(tài)（拱肋橫彎）

4.2 拱腳節(jié)點設(shè)計

除拱肋分肢構(gòu)造外，本橋拱腳節(jié)點構(gòu)造是拱肋設(shè)計的另一個重點。根據(jù)建筑外形、結(jié)構(gòu)受力需要的不同，在橋臺橋墩處分別采用了不同的拱腳節(jié)點構(gòu)造。

橋臺處拱腳支承于橋臺側(cè)墻，為使拱腳處外形簡潔，采用了承壓傳剪埋入式拱腳（見圖14），橋臺拱腳節(jié)點截面壁板厚度24 mm，端板厚度60 mm，沿拱肋四周間隔150 mm 均布φ22×150 mm 剪力釘，并在插入段設(shè)置普通鋼筋加強(qiáng)筋，在對側(cè)墻頂面1.5 m 高度范圍內(nèi)的拱肋內(nèi)灌注混凝土。相比于常規(guī)橋臺結(jié)構(gòu)，本橋根據(jù)拱肋及樁基布置的需要采用了較長的側(cè)墻長度。

圖14 橋臺承壓傳剪插入式節(jié)點

中墩處拱腳節(jié)點受力較大，因此采用完全承壓式節(jié)點構(gòu)造（見圖15）。由于弧形人行梯道置于節(jié)點上方，拱腳處局部加強(qiáng)的靴梁及預(yù)應(yīng)力粗鋼筋等構(gòu)造對建筑外形影響較小，建筑外形和結(jié)構(gòu)受力均能得到兼顧。拱腳處采用80 mm 厚承壓板，并采用1 000 mm高度靴梁以加強(qiáng)承壓板剛度。承壓板與混凝土拱座之間設(shè)置50 mm 微膨脹高強(qiáng)環(huán)氧砂漿后壓注層。沿拱腳四周間距500 mm 布置直徑50 mm 高強(qiáng)螺紋鋼筋，鋼筋伸入承臺，并在固定端設(shè)置錨板，預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉力為750 kN，以保證承壓板截面全截面受壓。

圖15 中墩拱座完全承壓式節(jié)點（單位：mm）

5 吊桿及主梁設(shè)計

本橋吊桿在拱頂區(qū)沿拱肋中心線間距1.8 m 錨固，在鋼主梁上間距為沿道路設(shè)計中心線間距5 m，110 m 跨跨中設(shè)15 對吊桿，95 m 跨跨中設(shè)12 對吊桿，均采用GJ15-12 整束擠壓鋼絞線拉索體系，成橋索力450 kN。

本橋通過BIM 參數(shù)化手段定義錨箱及耳板板件尺寸、布置原則等與吊桿角度之間的設(shè)計原則（見圖16），使得錨點構(gòu)造可以自動適應(yīng)不同的吊桿角度,進(jìn)而從BIM 模型中批量提取板件結(jié)構(gòu)尺寸及形狀參數(shù)，并借助碰撞檢查功能進(jìn)行凈空及沖突點核查。

圖16 吊桿錨點BIM 模型示意（梁拱壁板未示）

為使主梁結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度，并且自身能承受相當(dāng)?shù)暮奢d，主梁采用閉口扁平多箱室鋼箱梁結(jié)構(gòu)。主梁受力體系為在跨中吊桿區(qū)多點彈性支承的兩跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，固定支座設(shè)置在中墩，兩側(cè)橋臺設(shè)置滑動支座（見圖17）。根據(jù)受力需要避免支座脫空，鋼箱梁梁端內(nèi)側(cè)局部采用混凝土壓重處理。

圖17 鋼主梁支承體系（單位：m）

為適應(yīng)道路路線于內(nèi)外河及河堤之間的斜交關(guān)系，上下部均斜橋斜做。小樁號橋臺斜交80°，河堤處中墩斜交70°，大樁號橋臺側(cè)斜交75°。為適應(yīng)鋼箱梁斜交布置，中墩處采用橫隔板正交并加密布置，通過支座分別支承于不同隔板上實現(xiàn)斜交。橋臺側(cè)通過橫隔板的角度漸變實現(xiàn)（見圖18）。

圖18 墩臺斜交處橫隔板設(shè)置示意

鋼主梁橋面鋪裝采用4 cmSMA13 和9 cm 厚C50補(bǔ)償收縮鋼纖維防水混凝土，通過φ13 mm 焊釘保證與鋼橋面板的連接（見圖19），結(jié)構(gòu)計算時不考慮鋼纖維混凝土層參與受力。鋼纖維抗拉強(qiáng)度不小于600 MPa，鋼纖維摻量為60 kg/m3。為提高鋼主梁安全儲備，避免中墩頂面鋪裝局部開裂，鋼纖維混凝土鋪裝次序為先跨中后中支點，并在中墩頂范圍設(shè)置20 mm 直徑HRB400 縱向加強(qiáng)鋼筋。

圖19 鋼主梁橋面鋪裝（單位：mm）

6 結(jié)語

西寧北川河濱河西路橋通過全過程的BIM 正向設(shè)計，應(yīng)用了樣條曲線擬合空間拱軸線設(shè)計、多邊形變截面分肢拱肋參數(shù)化設(shè)計及空間索面布置及錨固定位等技術(shù)手段，解決了異形空間鋼拱橋設(shè)計中得諸多難題。施工過程中鋼結(jié)構(gòu)加工單位依靠三維BIM 模型提供的數(shù)據(jù)支撐，成功解決了橋梁拱肋成型及三維放樣等難題，確保施工對結(jié)構(gòu)形態(tài)的還原度，有效提高了橋梁的施工效率。

本橋于2019 年12 月開工建設(shè)，2021 年6 月建成后的橋梁成為西寧北川片區(qū)的焦點景觀，產(chǎn)生了良好的社會效益。2021 年9 月作為組成項目之一通過世行項目完工檢查評估，獲得“高度滿意”的最高評級。