天津安陽橋設計關鍵技術

張振學，洪 全，郭會國

（天津城建設計院有限公司，天津300073）

1 工程概況

安陽橋位于天津市濱海新區中心商務區于新道跨海河處，東連于家堡金融區，西接響螺灣商務區。主橋跨徑布置為20 m+22 m+220 m+22 m+20 m，全長304 m，雙向6車道。安陽橋主橋為無推力空間鋼網拱橋，主拱為雙軸對稱空間鋼網拱結構，主梁主跨為主次梁梁格結構，左右兩幅，橫梁間距8 m，邊跨為整體正交異性鋼箱梁（見圖1）。

安陽橋層次豐富、變化多樣，它重構城市天際輪廓、顯得大氣而又獨特。安陽橋主拱不是一個常規概念上的鋼拱，而是一束沿橋縱向布置的空間拱，它既體現了橋梁結構各方向的通透性，又展現了因角度不同而呈多姿多彩的形態（見圖2）。安陽橋主拱分兩部分，表達“大鵬展翅”之意，而中央則是懸掛橋面的主體結構。橋面也于中央分成兩幅，引導光線照射到橋下的水面。兩片拱就像兩片略為卷曲的葉子，其凹面朝向橋面邊緣，以及河道。這兩片由多根鋼拱重重疊疊組成的巨型的“葉子”在其兩端逐漸收緊，并小心翼翼地植根于支座。橋面外側的纜索將橋面懸掛于中央的鋼拱之上，車輛與行人都在這些纜索的內側。

安陽橋在城市景觀橋中獨豎一幟，不僅在橋梁建筑上有著其獨特的藝術魅力，在橋梁結構上也有其獨到的地方。安陽橋為拱橋，且矢跨比小，安陽橋場地為軟土地基，在軟土地基上設計大跨度拱橋，是該工程設計的關鍵技術問題。在安陽橋橋梁結構中，空間主拱在拱腳處交匯于一點，安陽橋的整體穩定是該工程的一個控制問題。在安陽橋方案中，拱和梁是分離的，拱梁之間的連接僅通過吊桿連接，拱梁之間的連接方式、實現方式及對整體橋梁結構的影響是該橋結構分析中必須考慮的問題。安陽橋主拱剛度相對較弱，梁的剛度也較弱，拱梁剛度的匹配和調整是該橋設計中反復調整的問題。安陽橋主拱由14道獨立的小拱箱組成，拱間橫連間距8 m，小拱和拱間連接共同形成主拱，主拱的應力調整、施工可行性是設計中反復討論的問題。安陽橋主拱為空間鋼網拱結構，在橋面以下，由于其截面變小，為鋼拱箱結構，拱箱和小拱的界面位置、施工工藝和構造處理都是設計應仔細考慮的問題。在安陽橋拱腳設計中采用了鑄鋼構件，鑄鋼構件的設計、鑄造、運輸安裝、焊接工藝是設計施工需要解決的難題。安陽橋為大跨度拱橋，在地震作用下下部結構的反力巨大，該橋的減隔震體系的布置和設計是該工程設計慎重考慮的問題。安陽橋為空間鋼網拱橋，現行通用規范和抗風規范都沒有對應于該橋結構抗風驗算，安陽橋的抗風設計是該工程設計值得研究的科研問題。

2 安陽橋橋梁結構

安陽橋為無推力空間鋼網拱橋，由主拱、主梁、斜撐、拉桿、吊桿和鑄鋼件幾部分組成，見圖3所示。安陽橋主拱為雙軸對稱的異形空間鋼網拱結構，主拱在橋面以上為拱網結構體系，橋面以下為異形拱箱結構。中心拱軸線距拱腳定位點39.8 m，跨度220 m，矢跨比為1/5.53。主拱為異形變截面，在橋跨中點處，主拱截面高11.6m，寬15.4m，在拱腳處截面高2.8 m，寬3.6 m。橋面以上拱網由14道獨立的小拱箱通過間距8 m的拱間橫向連梁連接而成，鋼網拱橫截面左右對稱，呈倒梯形，兩腰為弧線，頂部位下凹折線。在橋面附近位置，14道小拱箱合并成一個大鋼拱箱結構。

安陽橋主梁為鋼梁，分為主跨部分和邊跨部分。主跨為主次梁梁格體系，分左右兩幅，通過連接橫梁連接，間距8 m。單幅鋼梁設一大一小縱梁，大縱梁為四邊形截面，寬度5.2 m，高2.3 m；小縱梁也是四邊形截面，寬度2.6 m，高1.8 m。主橫梁間距8 m，與吊桿間距相同，次橫梁間距4 m，主橫梁為變截面箱梁，寬0.75 m，高度從2.3 m變到1.5 m，次橫梁為變截面工字梁，寬0.3 m，高度從2.3m變到1.5 m。邊跨為整體正交異性鋼箱梁，梁高2.3 m，左右變高度，同主跨梁格。

安陽橋吊桿分為四個吊桿面，主梁外側和主梁內側各兩道，吊桿采用平行鋼絞線，外側采用GJ15.24-12型號，內側采用GJ15.24-5型號。

在主拱拱腳處有三道斜撐，斜撐為變截面箱形，截面上大下小，三道斜撐傳遞主拱傳來的水平分力。主拱拱腳與三道反向斜撐之間，通過鑄鋼件相連，鑄鋼為空間三維結構。

由于該橋的主跨較大220 m，邊跨相對較小42m，在邊跨墩位會出現很大的支座負反力。為了防止邊跨負反力的出現，特設置拉桿墩位，使得邊跨處于受壓狀態。拉桿設置四道，位于主次梁的位置，拉桿為鋼板，厚100 mm。

3 安陽橋橋梁結構受力體系設計

安陽橋為空間鋼網拱橋，與普通拱橋的受力一樣，拱橋的水平推力是設計必須考慮的問題。安陽橋主跨跨徑220 m，矢跨比為1/5.53，矢跨比較小，主拱產生的水平分力有9 000 t。安陽橋處的地基為軟土地基，在軟土地基上設計抵抗如此巨大水平力的樁基，難以實現。在主梁內加設拉桿，來平衡恒載產生的水平推力，但是在活載和整體升降溫作用下，主拱也有4 000 t的水平力。在拱腳處設置支座，形成中承式梁拱橋梁結構，一個拱腳墩為固定墩，其余為順橋向滑動墩，釋放了該橋在恒載、活載和整體溫度作用下的水平力。然而，在地震作用下，拱腳固定墩的反力比恒活載產生的還要大，這對該橋抗震極為不利，固定墩基礎難以實現，因此，安陽橋減隔震體系的設計又是該工程的一個難題。在安陽橋橋梁結構中，空間主拱在拱腳與三道斜撐交匯于一點，拱腳主墩的支撐為一個點支撐，安陽橋的整體穩定是該工程的一個控制問題。安陽橋主拱穩定是靠主拱與主梁的拉桿，主拱的穩定就要求主梁的扭轉角度很小，因此，橫橋向布置的四個拉桿是該橋穩定的關鍵點。另外，由于主拱拱腳在橫橋向為一個支撐點，在活載偏載作用下，該橋邊跨有較大的橫橋向水平力，這也是常規橋梁設計不曾出現的問題，在設計中應增加適當的構造要求。

4 安陽橋主拱設計

安陽橋主拱的設計是該工程的一大重點，在安陽橋最初的方案中，拱和梁是分離的，拱梁之間的連接僅通過吊桿連接。拱梁之間的連接方式、實現方式及對整體橋梁結構的影響是該橋結構分析中必須解決的問題。通過反復計算對比拱梁分離、僅橫向支撐、鉸接和剛接幾種工況，最后確定為拱梁剛接的形式（見圖4）。安陽橋為城市景觀橋，在設計主拱的線形和桿件尺寸時，為了更能表現主拱的通透性，盡可能保證主拱線形和降低截面的外形尺寸，這使得主拱的設計有很大的難度。安陽橋主拱軸線的線形為橋梁藝術的創意，與合理拱軸線有一些差異，主拱的傳力途徑和受力特點在設計中應當注意。以前的常規拱橋，主拱為一剛性構件，拱構件本身具有很大的剛度和整體性，而安陽橋的主拱為多拱軸線空間鋼拱結構，由14條小拱通過間距8 m的拱間橫向連梁連接而成，主拱的整體性和剛度相對較弱，且該橋跨度較大，主梁和主拱的剛度分配調整是設計過程中反復調整的一個問題。在主拱與橋面相連的附近，主拱截面高度較小，14條小拱通過拱間橫連相連，橫連桿件的尺寸較短，易形成剛性短桿，拱間橫連設計時要考慮剛性短桿的影響。主拱空間尺寸較小，空間交匯桿件較多，各桿件相對較短，各桿件連接設計不僅要考慮拱間橫連在其平面內的連接，而且也要考慮拱間橫連與主拱在其平面外的連接。在主拱與橋面相連的附近，14條小拱變成一個鋼拱箱，小拱變拱箱位置的確定，是設計過程中反復討論的問題。為了實現拱的通透性，拱箱盡可能地短，但為了在施工中能實現，拱箱又不宜過短。在小拱變拱箱處，由于主拱剛度的突變，容易引起應力集中，此處的構造處理和措施也是設計中反復討論的問題。

5 安陽橋鑄鋼和拉桿設計

在主拱拱腳處，主拱與三道反向斜撐通過鑄鋼件直接相連，鑄鋼件不僅承受主拱傳來的軸力、雙向剪力、面內外彎矩和扭矩，還承受著三道反斜撐傳來的內力，鑄鋼件是該橋的關鍵受力點之一。鑄鋼件為空間三維結構（見圖5），在原先的設計中，為了降低鑄鋼構件的應力，鑄鋼件設計得較大，在通過對鑄鋼件的鑄造、運輸、安裝能力調研后，鑄鋼件過重，過大，施工難以實現。通過反復計算，重新調整鑄鋼件尺寸，在滿足設計的要求下最大限度地減小鑄鋼件的尺寸，最后的尺寸為：順橋向長 8.33 m，橫橋向 6.10 m，高 3.48 m，重約 250 t。鑄鋼件為橋梁構件，鑄鋼件的抗疲勞性能是該工程設計應關注的關鍵問題。鑄鋼件的材質與橋梁用結構鋼的材質不同，為了保證鑄鋼件與橋梁用結構鋼的焊接性能，需要對鑄鋼材質做出專業的分析和比選，保證工藝的可行性和焊接質量，鑄鋼件和橋梁用鋼應在鑄造廠進行加工，以方便施焊后進行回火和調質處理，使得鑄鋼件出廠就帶有橋梁用鋼的要求，現場焊接就好處理了。另外鑄鋼件的防腐也是該工程不容忽視的問題。將大噸位鑄鋼件應用于橋梁結構設計當中，也是該橋設計的一個新的特點。

由于安陽橋邊跨較小，橋梁在設計荷載作用下，邊墩將出現很大的支座負反力，常規的抗拉支座難以現實，需要在邊跨設置拉桿來承受支座負反力。拉桿位置的布置是設計需要考慮的問題，經過在設計中反復驗算，當拉桿布置與斜撐越近，拉桿所起的作用就越直接，主拱的應力就有所降低，但三道反斜撐的應力就增加很快，有時在強度設計時難以滿足規范要求，而且構造上沒有足夠的空間，不易實現。當拉桿布置得太遠，主拱的應力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大，應力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，應力難以下降的循環中。在拉桿的布置中，拉桿橫橋向根數的布置也是設計中通過反復驗算才確定下來的。

6 安陽橋抗震設計

安陽橋為拱橋，如果采用上部主拱與下部基礎為剛接，該橋將成為真正意義上的拱橋，但是在地震作用下，下部基礎的反力就會非常之大，即使采用梁拱橋，固定墩的反力會更大，下部基礎的設計難以實現。在中承式梁拱橋的基礎上采用減隔震體系的設計，即采用雙球面減隔震支座和阻尼器同時布置的減隔震體系，減隔震支座降低下部基礎反力，而阻尼器又能降低橋梁結構在地震作用下的最大位移，使得下部基礎的結構設計和構造處理成為現實。在抗震設計中，采用了主橋和引橋的空間非線性動力時程計算模型，詳細分析橋梁結構在兩種概率水平的地震輸入下的地震反應，并考慮結構的幾何非線性、支座邊界單元的非線性、結構－基礎－土共同作用的影響及主橋與引橋的相互藕聯作用的影響。在安陽橋減隔震分析計算中，采用了SAP和MIDAS兩種有限元軟件，從兩種軟件計算結果的對比可以看出，計算的反力趨勢是一致的，但仍然存在一定的差異，這也是現階段對軟件抗震計算的原理、算法和適用條件的認識不足。

7 安陽橋抗風設計

安陽橋是新型的拱橋結構，該橋抗風的設計也是一項新的內容?，F行通用設計規范和抗風規范靜風荷載計算中都沒有對應的風載阻力系數的類型，而動風荷載驗算主要是對于斜拉橋和懸索橋的，并沒有對空間網格拱這樣的異形橋梁結構，該橋的抗風設計也是該工程設計中一項空白的科研課題。在抗風設計中，不僅要進行基本風速統計分析和橋位風特性參數確定，還有對主梁和主拱做靜風三分力系數測試和靜風荷載計算，用于研究等效風荷載組合研究和靜風穩定性分析。最后要對整橋模型做全橋氣彈模型風洞試驗來評價橋梁結構的風振穩定性。

8 結語

安陽橋橋梁建筑藝術設計優美，造型獨特，橋梁結構復雜，建造工藝難度大。該橋的設計也遇到了許多的難題，比如：軟土地基上大跨度拱橋水平力的釋放，空間拱橋的整體穩定，主拱和主梁的連接方式、構造處理，主拱和主梁的剛度匹配，主拱的結構設計和構造處理，14條小拱變為大拱箱位置的確定，大噸位鑄鋼件在橋梁工程中的應用和空間鋼網拱結構抗震抗風性能研究。安陽橋不僅是橋梁建筑藝術的創新，也是橋梁結構的創新，也是設計理念的創新。