新型飛鳥式系桿拱橋的方案設計研究與分析

朱巍志 張 哲 付 裕 檀永剛 趙維賀

（大連理工大學橋梁工程研究所1） 大連 116023） （北京市市政工程設計研究總院2） 北京 100045）

0 引 言

飛鳥式拱也稱飛燕拱，是鋼管（混凝土）拱橋中極具特色的一種橋型.它是指兩邊跨為半跨懸臂上承式拱、主跨為中承式鋼管（混凝土）拱，通過錨固于兩邊跨端部的拉索來平衡主跨大部分水平推力的橋梁結構，也有稱自平衡式或自錨式的［1－3］.飛鳥式鋼管（混凝土）拱橋中的主跨、邊跨、主拱墩及系桿4大組成部分，四位一體，相互影響、相互依存，密不可分，無論哪一部分都無法獨立存在［4］.飛鳥式拱橋最常見的是3跨結構形式，由于采用系桿平衡了拱的水平推力的絕大部分，使得樁基所受的水平推力大大降低［5］.飛鳥式橋型降低了平原地區或軟基地區拱橋的下部與基礎的工程量與造價，同時造型美觀，因此受到人們的喜愛.

1 結構設計

擬建的奉化江大橋位于寧波市海曙區與江東區交界處，在芝蘭橋與興寧橋之間.該處河寬約200m.該橋為城市主干道，是連接寧波東西城區的重要橋梁.

該橋為3跨飛鳥式系桿拱橋，跨徑為36m＋148m＋36m.主跨拱肋由空間布置的3根鋼管拱組成，大拱高31.5m，橋寬39.2m，橫向布置為6.1m＋11m＋5m＋11m＋6.1m，橋面橫坡1.5%.橋梁立面和平面布置圖見圖1.該橋拱肋形式設計新穎，造型獨特，可以為同類橋梁的設計提供參考.

1.1 上部結構

上部結構構造圖見圖2，拱圈采用通過拉桿和撐桿相互連接的3根鋼管組成，鋼管內僅拱腳處4m范圍內灌注C50混凝土.鋼管采用變厚度，拱腳處壁厚24mm，拱頂18mm，中間20 mm.鋼管內部沿拱軸線方向每隔1.5m設一道環形橫隔板，沿環向設16道縱向加勁肋，高度為150mm，以保證鋼管的局部穩定性.3根鋼管線形均采用拋物線，大拱直徑1.8m，位于豎直平面內，矢跨比為1／4.7，2根直徑1.5m的小拱位于豎直平面向兩側旋轉22.19°的斜平面內，拱平面內的矢跨比為1／3.82，拱中心橫橋向水平距離為11.50m，豎向距離為8.7m.

大、小拱間斜向撐桿采用直徑500mm厚度12mm的鋼管，順橋向間距3m.小拱間橫向拉桿采用直徑180mm，厚度16mm的鋼管，內部設37根直徑5mm平行鋼絲成品索，PE護套，冷鑄錨具，錨固在小拱的拱圈內部，施工中需要張拉該索，以減小拉桿的拉力，保證管節點處焊縫的疲勞強度.

圖1 橋梁布置圖 （單位：m）

圖2 上部結構構造圖

鋼箱梁采用閉口截面箱梁，方案一采用箱梁結構外加懸臂梁；方案二采用全封閉鋼箱梁.梁高2.25m，寬39.2m.頂板、底板厚度為14mm，采用正交異性鋼橋面板，橋面板設6mm厚的U形加勁肋，沿縱橋向每3m設一道12mm厚的橫隔板.端橫梁采用鋼橫梁，腹板厚度為24mm，每2m設16mm厚的橫隔板.對梁高進行了2.50，2.25，2.00m3種高度進行了優化，結果均能滿足受力要求，但考慮到過橋管線的布置，本方案采用2.25m的梁高.

混凝土拱肋采用C50鋼筋混凝土，截面為矩形，由2.1m×2.1m漸變到4m×4m.

吊桿采用平行鋼絲成品索.順橋向間距6m.直吊桿16根，斜吊桿28根.系桿采用6根OVMGT15－37成品系桿索.系桿的最大拉力為37 500kN.

1.2 下部結構

拱座采用C50鋼筋混凝土.拱座下承臺尺寸為8.2m×29.2m×3m，采用30根直徑1.2m的鉆孔灌注樁.邊墩承臺為5.2m×5.2m×2.0 m的3個承臺通過地梁連接為一體.樁基礎采用12根直徑1.2m的鉆孔灌注樁.

2 方案實施

施工步驟如下：施工主橋圍堰、樁基礎、施工臨時墩；拱座、承臺、橋墩.同時在工廠制作鋼箱梁節段，鋼拱圈→搭設臨時棧橋，混凝土拱肋支架、主梁支架→現場澆筑混凝土拱肋→現場安裝鋼箱梁，鋼箱梁合龍→現場搭設鋼拱圈支架，安裝鋼拱圈，安裝拱間撐桿、拉桿及拉桿內鋼索→大拱內拱腳4m范圍內灌注混凝土，張拉部分系桿→安裝豎向吊桿、斜向吊桿→張拉豎向吊桿、斜向吊桿→拆除鋼拱圈、鋼箱梁支架→施工橋面鋪裝、人行道、欄桿等橋面系工程→調整吊桿力，調整系桿索力→安裝裝飾工程.

3 結構靜力計算及優化

3.1 空間有限元模型

采用空間桿系有限元模型，主梁、拱圈、撐桿、拉桿、樁基礎均采用梁單元模擬，吊桿、系桿、橫向拉桿內的拉索采用索單元模擬，承臺采用厚板單元模擬.模型共有節點1 994個，梁單元2 711個，索單元158個，板單元160個.計算模型中，在主梁與墩之間采用彈性連接模擬支座，通過計算支座剛度給出彈性連接的各方向剛度；樁底固結，樁體采用土彈簧模擬樁土相互作用.

3.2 荷載工況

恒載考慮結構自重，鋪裝9cm厚.

活載：汽車荷載，城－A級，雙向6車道，折減系數0.55.

人群荷載，3.5kN／m2.溫度考慮整體升溫30℃，降溫25℃.溫度梯度按5℃考慮.

工況一：恒載（結構自重＋鋪裝等附加重量）.

工況二：恒載＋活載（考慮偏載情況的最不利組合）.

工況三：恒載＋活載＋溫度（最不利組合）.

3.3 計算結果

恒載狀態主梁最大撓度為4.8cm，如果施工中主拱設預拱度，通過張拉吊桿力可使主梁不產生向下撓度.最大拉應力為126MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設計中橫向拉桿內設預應力鋼索，可以大幅度減小拉桿的拉力；最大壓應力為113 MPa，位于小拱的拱腳處.

工況二的加載按6車道，采用影響線加載，求出最不利加載情況下的應力和位移，這個過程中已經考慮了車輛的偏載.最大拉應力為135MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設計中橫向拉桿內設預應力鋼索，可以大幅度減小拉桿的拉力；最大壓應力為157MPa，位于小拱的拱腳處.最大位移17cm.

工況三考慮恒載、活載、溫度所產生效應的最不利組合.最大拉應力為137MPa，位于小拱間的橫向拉桿，本設計通過張拉橫向拉桿內的預應力鋼索，大幅度減小拉桿的拉應力；最大壓應力為161MPa，位于小拱的拱腳處.最大位移18cm.

3.4 優化計算

對于鋼管混凝土拱方案和鋼管拱方案分別進行計算，考慮混凝土的收縮徐變，對鋼管混凝土拱方案進行了施工階段分析，分別得到兩種方案在恒載＋活載＋整體升降溫的最不利組合下拱的應力結果，取壓應力最大位置進行比較［6］.

如圖3所示，取主拱及次拱的拱腳，距拱腳水平距離8.2m處4點.以下為各點最大拉（壓）應力比較，其中壓應力為負，拉應力為正.

圖3 關鍵點位置示意圖（單位：m）

從表1可以看出由于混凝土的收縮徐變以及活載作用下鋼管混凝土方案中的混凝土局部區域出現了拉應力，最大處達到了6.4MPa，鋼管拱方案由于在應力較大的區域加大了管壁厚度，最大壓應力為161MPa，而鋼管混凝土拱方案最大壓應力為162MPa，由此可以看出鋼管拱方案要優于鋼管混凝土方案.因此本方案采用鋼管內用加勁肋加強，僅在拱腳處4m范圍內灌注混凝土的設計方案.

表1 關鍵點應力比較MPa

4 穩定計算及特征值分析

建立荷載最不利工況，對結構進行屈曲分析，得到該橋最小的穩定系數為6.944，滿足規范大于4到6的要求，為拱肋的整體失穩，失穩模態表現為拱肋的面外反對稱彎曲失穩［7］.

將結構自重和二期恒載轉化為質量，即建立模型的質量矩陣，并將吊桿和系桿的初始剛度賦予結構，利用多重Ritz向量法對其進行特征值分析，得到各階振型，表2列出了前10階振型的頻率和振型形態描述.從結果可以看出，該橋基頻為0.712 2Hz，說明該橋的整體剛度較大，由于采用了抗扭剛度較大的鋼箱梁截面，主梁的1階對稱扭轉振型并未出現在第1階，而是第4階.

表2 成橋狀態固有頻率和振型表

5 結 束 語

本文通過寧波奉化江大橋的方案設計介紹了一種主跨拱肋形式新穎的飛鳥式系桿拱橋橋型，由方案設計介紹和空間有限元計算結果可以看出該橋型結構造型獨特，受力安全可靠，具有良好的穩定性和動力特性，該方案設計和計算可以為同類城市橋梁的方案設計提供一定的參考和借鑒.

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［2］陳寶春.鋼管混凝土拱橋實例集（一）［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［3］陳寶春.鋼管混凝土拱橋綜述［J］.橋梁建設，1997（2）：8－13.

［4］唐黎明，魯應慧，劉新癡，等.武漢市江漢五橋的設計［J］.城市道橋與防洪，2002（2）：7－11.

［5］鄭懷穎，陳寶春.飛鳥式鋼管混凝土拱橋設計計算分析［J］.公路交通科技，2007（1）：90－94.

［6］Nazmy A S.Stability and load－carrying capacity of three dimensional long－span steel arch bridges［J］.Computers and Structures，1997，65（6）：857－868.

［7］Rubin M B.Buckling of elastic shallow arches using the theory of a Cosserat point［J］.Journal of Engineering Mechanics.2004，130（2）：216－224.