廣州從化大橋工程主橋空間拱梁組合橋結構設計及關鍵技術

寧平華，郭鈺瑜

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東　廣州　510060）

廣州從化大橋工程主橋空間拱梁組合橋結構設計及關鍵技術

寧平華，郭鈺瑜

（廣州市市政工程設計研究總院，廣東廣州510060）

廣州從化大橋為廣州市從化區跨流溪河的一座大型城市橋梁，其主橋為單跨下承式空間拱梁組合體系橋，跨徑為136 m，橋寬40 m，拱圈為3根鋼管通過橫撐、斜撐組合而成倒三角形桁梁組合拱，造型獨特，結構設計新穎，且為國內首例大橋與地鐵共線的工程，技術含量高。介紹該橋的結構設計及關鍵技術。

下承式；空間異形組合拱；拱梁組合體系；地鐵

1　工程背景

從化大橋工程位于廣州市從化區街口街，道路等級為城市主干路，連接城區河東片區和城北新區，跨越流溪河。從化大橋的建設，將使得上述片區之間的交通聯系更加便捷，它的建成能夠進一步完善城市路網結構，有效改善城市南北交通不暢的現狀，緩解城市交通中心擁擠的狀況，對加強新老城區的聯系，促進結合處的景觀、交通、用地等建設有著十分重要的意義。從化大橋為從化大道上跨流溪河的關鍵節點工程，為城市主干路，設計時速60 km/h，主橋雙向6車道。橋位處江面寬約200 m，從化大橋位于街口大橋和迎賓大橋之間，距兩座橋均為2.2 km。其地理位置如圖1所示。

圖1　項目地理位置圖

2　方案構思

該工程處于從化市中部，南北向橫跨流溪河，是連接從化城北新區和南部的河東綜合區及研發產業區的重要通道。東北新區與南部經濟發展片區（包括河東綜合和研發產業區）隔河相望，是從化市遠期發展的兩大區域。因此從化大橋必須充分考慮結構物的景觀效果，橋梁結構必須新穎、美觀，既體現文化底蘊，又具有時代的特征，建成后成為當地的標志性建筑。

目前，從化市主城區內跨越流溪河的橋梁僅有南邊的街口大橋、流溪大橋和北部的迎賓大橋。現狀橋型以平梁橋為主，景觀效果一般，不能成為城市的獨特景觀。因此，擬建的從化大橋將是一座重要橋梁，如何體現良好的景觀效果，體現現代城市風貌，成為新的城市地標，是本次橋型方案設計的重點。

根據該項目設計的特點以及業主的要求，針對梁橋、斜拉橋及拱橋這三種橋型做了詳細的方案設計，共提交了十多個橋型方案供比選，各方案情況見表1。

從化大橋跨越流溪河，橋梁所處河道較窄，河面寬約200 m，堤岸兩側為住宅區，且北岸現有數棟百米高的住宅建筑。若建造具有高聳偉岸橋塔的斜拉橋和懸索橋，勢必會顯得空間密度太大，與周圍的建筑和自然景觀產生不協調的效果。拱橋作為一種古老的橋型，它的美在于柔美的拱曲線與直線形的梁柱、桿結合，呈現出剛柔并濟、韻律優美的綽約風姿。拱橋為橋梁基本體系之一，形式多樣，造型優美，一直是大跨徑橋梁的主要形式。本次橋型方案設計中經過多輪比選和投票，最終確定采用下承式空間拱梁組合體系橋，即表1中方案十四（見圖2）。

表1　各橋型方案一覽表

圖2　橋型日景圖

3　結構設計

3.1橋跨布置

從化大橋主橋為單跨下承式空間拱梁組合橋，跨徑為136 m。主梁為預應力混凝土箱梁，拱肋由三根鋼管通過橫撐、斜撐組合而成倒三角形。該橋型造型獨特，拱肋結構新穎美觀，猶如一輪新月升起在流溪河畔。主梁兩端部設計為下牛腿，作為引橋邊跨的支承端。圖3為橋型平立面布置圖［1］。

3.2橫斷面布置

主橋橫斷面全寬40 m，梁高3.5 m，為魚腹式斷面，如圖4所示［1］。

圖3　橋型平立面布置圖（單位：m）

3.3拱肋布置

拱肋由3根鋼管通過橫撐、斜撐組合而成倒三角形，造型獨特，拱肋結構新穎美觀，呈現“新月臨江”的建筑美學創意。三根鋼管線型均為二次拋物線，一根外徑1.8 m的主拱位于豎直平面內，主拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f=26.2 m，矢跨比為1/5.2；兩根外徑1.5 m的副拱由豎直平面向兩側旋轉16.8°而成，副拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f=31.7 m，理論矢跨比f/L=1/4.1。主拱肋和副拱肋均分7個節段進行吊裝，拱內灌注C50微膨脹混凝土。

圖4　橋型橫斷面圖（單位：m）

3.4吊桿布置

主拱共設19根吊桿，副拱共設13對吊桿，吊桿索體采用PES（FD）系列新型低應力防腐拉索。主拱吊桿索體規格為PES（FD）7-187，副拱吊桿索體規格為PES（FD）7-73，拉索的標準強度fpk=1 670 M Pa。吊桿順橋向間距6 m，分別錨固在拱肋和主梁內，主梁處為張拉端，拱肋處為固定端。

3.5橋墩與基礎

為配合拱肋造型，主墩采用弧形板式墩，斷面為箱形結構，截面尺寸為：18 m（橫向）×3 m（縱向）。主墩下設8根2.5 m嵌巖樁，樁基礎與橋墩之間通過承臺連接。

4　關鍵技術

4.1空間異形拱結構和構造

拱圈為通過橫撐、斜撐和三根鋼管組成的組合式異形拱圈。異形拱圈為自平衡體系，施工加載與后期運營活載產生的對鋼管拱的水平推力與系桿張拉力平衡。為了增加拱肋的剛度，拱肋內部灌滿C50微膨脹混凝土。

4.2拱梁結合的連接構造

由于受結構構造的影響，拱腳部位是拱的推力、梁的內力和支座的支承反力交匯處，不同方向作用力的影響使得其受力極其復雜。同時拱腳作為結構構件的關鍵部位之一，它不僅要保證主拱、縱梁和端橫梁之間的相互作用，還要保證上部結構的荷載能夠安全可靠地傳遞到支座上。拱腳處的局部受力對整個結構的承載能力和跨越能力以及結構是否能正常使用起著決定性的作用。三根拱肋在拱座匯聚到一點，拱座受力特別復雜，設計采用外包鋼板的方式與混凝土箱梁相連。為確保拱肋、外包鋼板和混凝土結合良好，拱肋內外側和外包鋼板內側均設置剪力釘。拱肋預埋段內主拱與副拱通過幾道厚20 m m的鋼板組合成為一個整體。

4.3與地鐵合建基礎結構設計

由于地鐵14號線穿越流溪河段分左右雙線，其中左線隧道在從化大橋西側通過，右線隧道中心線與從化大橋中心線重合，大橋樁基布置受限于地鐵隧道線位，且兩個項目工期重疊，兩者施工相互影響，形成復雜的施工工況，影響到橋梁和地鐵的安全，如圖5所示［1］。

圖5　主橋基礎結構圖

按照從化大橋及地鐵14號線的工期安排，該范圍施工順序為：橋梁樁基、承臺施工→地鐵盾構隧道施工→橋梁墩身及上部結構施工。

考慮到地鐵盾構施工影響的不確定性，本設計對方案作出以下調整：

（1）由最初的三跨下承式連續梁拱橋調整為單跨下承式拱橋，以降低不均勻沉降對大橋結構的影響；

（2）調整樁基布置，加大基礎承臺的跨徑和厚度，橋梁樁基與隧道最小水平間距以不小于2 m進行控制（見圖5）；

（3）地鐵施工、運營與鄰近橋梁樁基之間的相互作用是一個復雜的土與結構的動態相互作用問題，為確保地鐵施工和運營期間橋梁與地鐵的結構安全，需對施工期和運營期兩階段進行監測。根據監測數據進行信息化管理，分析監測數據，及時對施工方案進行調整，優化設計。最終通過數據的收集和整理，為以后類似工程的設計、施工提供參考和經驗［2］。

4.4拱梁索內力平衡法設計原理

拱橋由于其荷載是由主梁、拱肋和吊桿分擔的，合理地確定各構件分擔的比例十分重要。因此拱橋的設計首先是確定其合理的成橋狀態，即合理的線形和內力狀態，其中起主要調整作用的就是吊桿的張拉力。本案采用內力平衡法確定吊桿的張拉力。其基本原理：設計適當或合理的吊桿初張力，以使結構各控制截面在恒載和活載共同作用下，主梁上翼緣的最大應力和材料允許應力之比等于或接近下翼緣的最大應力和材料允許應力之比［3］。

5　結語

廣州從化大橋的橋型經歷多方案比選，結合具體建設條件及各方意見，最終優先出主跨136 m空間拱梁組合體系橋。本文提出的結構設計構造和方法，以及創新型關鍵技術，為同類型橋梁設計提供參考價值。廣州從化大橋的建成將成為從化區一道亮麗的風景線。

［1］廣州市市政工程設計研究總院.從化大橋工程施工圖設計［Z］.廣州：廣州市市政工程設計研究總院，2015.

［2］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.

［3］陳堅柔.贛州章江大橋異形鋼管拱施工與監控技術［Z］.九江：中鐵大橋局集團第五工程有限公司，2013.

U442.5

B

1009-7716（2016）09-0043-03

2016-06-28

寧華平（1963-），男，湖南人，總工程師，教授級高級工程師，從事橋梁、道路及交通工程設計研究工作。