上承式異形景觀拱橋設計研究

孫淑強 孫建淵

(同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

1 工程背景

橋梁在現代生活中所起到的作用日益重要，不僅要保證人們日常出行的順暢，而且要給人們帶來美的感受。所以，在橋梁設計中，設計人員要考慮橋梁安全、適用、耐久、經濟，也應重視橋梁的景觀設計，體現地域特色，文化特色，甚至要求橋梁能夠成為當地的地標性建筑，成為當地的名片之一［1］。

2 方案比選

本橋位于校園內，橋位已基本確定，為溝通南北校區的人行通道起到關鍵性作用。通過征詢各方意見，考慮景觀需要，在不影響防汛及節省投資的前提下，采用一跨過河方案。

2．1 鋼結構拱橋(推薦方案)

該方案橋為組合式鋼結構拱橋，主梁與兩側拱組合受力。邊跨拱平衡部分主拱圈水平推力。本橋線條流暢，結構新穎，體現了傳統與現代的組合美。該方案為20 m+50 m+20 m鋼結構組合拱橋。上部結構采用鋼結構，縱向主梁梁高80 cm，拱圈采用900×800箱形結構?；A采用鉆孔灌注樁。

2．2 斜拉橋(比選方案一)

本方案橋梁主體為獨塔式斜拉橋，塔主體與拉索形成一座抽象的豎琴。塔的底部和橋的另一端各放抱鼓石進行收尾點綴。整座橋梁簡潔流暢。該方案采用1孔47 m斜拉橋。主梁采用鋼結構。橋面寬度:0．25 m(欄桿)+9．5 m(人行道)+0．25m(欄桿)=10．0 m?；A采用鉆孔灌注樁。

2．3 鋼筋混凝土拱橋(比選方案二)

本方案為單跨仿古拱橋，拱圈兩側上方分別設計兩個圓洞出水孔，與駁岸相接處設計兩個通行門洞，既方便學生穿行，又與拱圈上方的兩圓洞相呼應，若遇高水位，可以達到泄洪的目的。橋面寬度:0．25 m(欄桿)+9．5 m(人行道)+0．25 m(欄桿)=10．0 m。基礎采用鉆孔灌注樁。

2．4 方案比選

根據我國目前的設計水平及建設能力，三個方案均是可行的。同時施工工藝成熟，各橋型方案的安全性、耐久性也是能夠得到充分保證的。

從造價分析，鋼筋混凝土拱橋造價為820萬元，鋼結構組合拱橋方案為917萬元，斜拉橋方案為1 050萬元;從施工周期分析，鋼筋混凝土拱橋和鋼結構組合拱橋方案工期約9個月，而斜拉橋方案約12個月;從新穎、美觀性分析，這三個方案各具特色，但鋼結構組合拱橋方案技術先進，國內少見。詳細比選見表1。

表1 方案比選表

綜合橋位處的規劃、地形地貌、地質水文等基本條件，同時充分考慮設計方案的功能適用性、技術先進性、經濟合理性、橋梁的景觀性、工程實施的可行性，認為鋼結構組合拱橋符合安全、適用、耐久、經濟和美觀等要求，也易與周圍環境相協調，最終確定了鋼結構組合拱橋作為本橋的方案。

3 主要技術標準

1)荷載等級:橋梁設計荷載:汽車限重5 t;人均荷載:3．5 kN/m2。2)通航及防洪要求:無航道要求，按50年一遇洪水位控制。3)橫斷面:0．3 m(欄桿)+9．4 m(人機非混行帶)+0．3 m(欄桿)，總寬10 m。橋面部分區域需根據總體布置要求加寬至11．5 m。4)橋面坡度:本橋位于半徑為387 m的豎曲線上，橋頭利用半徑為100 m的圓弧與道路相接。橋面橫坡:橋面設0．5%雙向橫坡。5)抗震標準:地震基本烈度8度，橋梁抗震設防類別為C類。6)設計基準期:100年。7)安全等級:二級，重要性系數1．0。

4 結構設計

本橋跨徑組合為20m+50m+20m，總長90m。采用上承式梁拱組合體系橋梁。邊拱肋及斜撐為內傾式空間曲線線型。在一側邊拱肋上設置1．5 m寬人行道。人行道在橋跨中心處與橋面連為一體。全橋立面布置圖見圖1。

圖1 全橋立面布置圖

4．1 主梁

橋面標準斷面總寬為10．0 m，由縱梁及橋面板組成。縱梁為封閉箱形斷面，梁高800 mm，寬800 mm，底板厚16 mm，腹板厚12 mm。橋面板厚12 mm，每隔2．5 m設置一道橫梁，橫梁為工字形斷面，翼板厚16 mm，腹板厚12 mm，腹板上設置加勁肋。梁拱相接處橫梁進行了局部加強?？v梁在跨中25 m范圍內與拱肋(斜撐)合二為一，梁高加大，下緣為拋物線。

4．2 拱肋

本橋中拱肋為豎向平面拱肋，中跨拱軸線為二次拋物線，中拱肋為封閉矩形箱形斷面，梁高900 mm，寬800 mm，頂底板厚25 mm，腹板厚20 mm，在靠近拱腳處局部加強，頂底板厚度調整為30 mm，并灌注混凝土。邊拱肋為內傾式拱面，傾斜角為36．03°，梁高900 mm，寬800 mm，頂底板厚 25 mm，腹板厚20 mm，在靠近拱腳處局部加強，頂底板厚度調整為30 mm，并灌注混凝土。

4．3 立柱

拱肋(斜撐)與主梁之間設置立柱，立柱間距2．5m，中立柱采用工字形斷面，梁高750 mm，翼板寬500 mm，厚16 mm，腹板厚12 mm。邊立柱為傾斜布置，立柱采用工字形斷面，梁高500 mm，翼板寬500 mm，厚16 mm，腹板厚12 mm。

4．4 拱間橫撐

中拱肋(斜撐)與邊拱肋(斜撐)之間設置橫撐。中跨橫撐采用工字形斷面，梁高600 mm，翼板寬300 mm，厚12 mm，腹板厚12 mm。邊跨橫撐采用工字形斷面，梁高450 mm，翼板寬300 mm，厚12 mm，腹板厚12 mm。

4．5 橋墩橋臺及基礎設計

本橋橋墩采用群樁基礎。在每個拱腳下設置一個承臺，承臺之間利用橫系梁連接。單個承臺厚度為2．0 m，寬4．6 m，長7．2 m，承臺下布置6根直徑1．0 m的鉆孔灌注樁，樁長20 m。承臺橫向張拉6束15．2-9的鋼絞線。每個承臺之間設置一道系桿，每道系桿內設置4束鋼絞線。

5 關鍵技術問題研究

5．1 空間結構分析

本橋由傾斜的鋼箱拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜撐桿組成，共同構成三維空間結構體系共同承受外荷載，空間效應明顯，采用Midas/Civil建立空間桿系模型進行了計算分析(見圖2)。

計算結果如下:在最大最不利組合包絡工況下，鋼拱肋結構最大應力156 MPa;在最不利組合工況為恒載+滿布人群活載+整體升溫的組合情況下，鋼縱梁結構最大應力111 MPa;根據TB 10002．2-2005鐵路橋梁鋼結構設計規范Q345的鋼結構強度設計值為210 MPa，故結構滿足強度要求。主拱撓度最大值為2．7 cm指定的最大撓度值，即結構在人群作用下的變形滿足規范要求。

圖2 成橋階段空間模型

根據Midas空間模型計算，可以看出橋梁在各種不利荷載作用下均滿足設計要求。

5．2 穩定計算

拱橋作為壓彎結構，穩定問題成為影響其極限承載力的重要因素。本橋為鋼箱拱橋，比較纖細，在承受的荷載達到某個臨界值的時候平衡會突然喪失，從而造成失穩破壞［2］。因此，對本橋的穩定性要進行計算，以保證橋梁的安全性。根據成橋狀態下所有靜力荷載組合對主橋的穩定性能進行分析，如圖3所示為橋梁一階整體穩定模態，本橋一階整體屈曲系數為41．15，值較大，說明橋梁結構在正常使用狀態下不會發生失穩。

圖3 最不利荷載作用下結構整體一階屈曲變形圖

5．3 拱腳局部分析

本橋的鋼拱肋直接插入混凝土拱座中，涉及鋼與混凝土異種材料的結合，為保證拱肋中六方向內力順利傳遞至混凝土底座中，用ANSYS有限元計算軟件對拱腳進行局部分析。

梁單元在拱腳處內力變化較大，為保證模擬精確，取單個拱座及包括插入拱肋內部總長1．6m鋼拱肋為計算對象，建立實體—板殼有限元模型，為精確模擬鋼與混凝土間的連接件作用，建立三維彈簧單元。為保證梁單元荷載順利施加至拱腳模型中，建立鋼結構梁單元進行荷載的施加。邊界條件為混凝土底部固結。

混凝土底座應力分布如圖4所示，拱座中除與鋼拱肋連接部位，其余部位混凝土應力均較小，最大拉應力均在1 MPa以內。在鋼拱肋與混凝土連接部位，為保證兩者間共同作用，除布置連接件外，需布置足夠的構造鋼筋，限制混凝土的裂縫。

圖4 混凝土底座沿拱軸方向應力分布

6 結語

本橋造型新穎別致，較好的與周邊環境相協調，同時也采用了較先進的施工方法。但是，由于邊拱肋為空間傾斜，使得橋梁受力較復雜，空間效應明顯。同時，鋼箱拱橋結構比較纖細，且為受壓構件，其穩定性影響橋梁極限承載力，故采取空間模型計算分析，以保證橋梁在正常使用狀態下的安全。拱腳處為鋼混凝土結合段，二者協同受力，混凝土構件受到空間力作用，鑒于混凝土抗拉能力弱，對其拱腳處采用實體分析，其最大應力不超過1 MPa，拱腳混凝土在未開裂狀態下工作，保證了橋梁的安全。

［1］楊士金，唐虎翔．景觀橋梁設計［M］．上海:同濟大學出版社，2003:4．

［2］劉彬斌，吳 沖．外傾式鋼箱拱橋穩定性研究［D］．上海:同濟大學橋梁系，2006．

［3］吳 沖．現代鋼橋［M］．北京:人民交通出版社，2006:9．