蘇州市斜港大橋——雙層桁架式拱梁組合橋方案比選

宋馨

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司蘇州分院，江蘇　蘇州　215000）

蘇州市斜港大橋——雙層桁架式拱梁組合橋方案比選

宋馨

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司蘇州分院，江蘇蘇州215000）

蘇州斜港大橋是一座全鋼結(jié)構(gòu)的雙層橋面桁架式拱梁組合體系橋梁，為蘇州市東環(huán)快速路南延工程的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。橋位對(duì)面是蘇州的千年古橋?qū)殠颉Ｓ捎谄涮厥獾乩砦恢茫瑯蛄撼凉M足交通功能外，還應(yīng)具有較好的景觀效果。斜港大橋跨徑布置為69 m+180 m+69 m=318 m。上層橋面寬41.6 m，為城市快速路；下層橋面寬48.6 m，為城市主干路；橫橋向布置兩片主桁，主桁間距36 m。全橋共十六車道，車道規(guī)模在國(guó)內(nèi)外位居前茅。介紹了該橋的設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)方案和技術(shù)要點(diǎn)的比選。

雙層橋面；鋼結(jié)構(gòu)拱梁組合體系；概念設(shè)計(jì)；方案比選

0　引言

伴隨著我國(guó)城市交通的快速發(fā)展和土地資源的日益稀缺，為在有限的空間內(nèi)提高使用效率，在一些城市快速路或公路橋梁中，可以滿足不同的交通需求雙層橋面橋梁得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1］。近年來建成的較有代表性的雙層橋面橋梁有重慶朝天門大橋［2］、重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋、上海閔浦大橋［3］和閔浦二橋［4］等。同時(shí)，隨著橋梁建造技術(shù)的日益成熟，在對(duì)橋梁美學(xué)的追求也越來越高，在城市橋梁設(shè)計(jì)中，除了要滿足功能需求外，還需體現(xiàn)橋梁與當(dāng)?shù)氐淖匀痪坝^和人文環(huán)境相融合［5］，同時(shí)還要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性以節(jié)約工程造價(jià)，。這就要求重視橋梁的前期概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)行多方案的比選。

1　概述

蘇州市斜港大橋?yàn)樘K州市東環(huán)快速路南延工程的重要節(jié)點(diǎn)，位于吳中區(qū)蘇申外港線與京杭大運(yùn)河交叉口處，承擔(dān)著東環(huán)南延快速路及其地面輔道的過河交通，兩個(gè)交通系統(tǒng)在橋位處均為雙向八車道；橋上還要設(shè)置檢修道、人行道和非機(jī)動(dòng)車道。橋梁車道規(guī)模大，交通繁重。

橋位附近為蘇州的千年古橋?qū)殠颍且蛔?3孔的石拱橋，新建橋梁在造型上必須與之呼應(yīng)，以體現(xiàn)橋梁與自然景觀和人文環(huán)境相和諧的設(shè)計(jì)效果，見圖1。

圖1　蘇州的千年古橋——寶帶橋

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路（設(shè)計(jì)車速80 km/h）和城市主干路（設(shè)計(jì)車速50 km/h）。

（2）道路凈空要求：不小于5 m。

（3）荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。

（4）通航標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)劃三級(jí)航道，通航凈高7 m，最高通航水位2.24 m（黃海高程）；航道內(nèi)不允許設(shè)橋墩。

（5）抗震標(biāo)準(zhǔn)：基本地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，主橋抗震設(shè)防類別為A類，按8度采取抗震措施。

3　主橋總體設(shè)計(jì)的方案比選

3.1橋梁橫斷面布置層次的選擇

斜港大橋需同時(shí)通行快速路和地方道路兩個(gè)系統(tǒng)，橋位南北兩側(cè)500 m范圍內(nèi)均有道路交叉口，相交道路分別為城市主干路和次干路。

若采用單層橋面布置，地面道路突破規(guī)劃紅線范圍較大，平面線形復(fù)雜，線形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低，涉及的道路包括交叉口改造難度大。同時(shí)由于受到非機(jī)動(dòng)車道縱坡和坡長(zhǎng)的限制，地面系統(tǒng)的豎曲線無法與交叉口順接。故主橋橫斷面采用雙層橋面布置的方案，上層橋面通行東環(huán)南延快速路和檢修道，下層橋面通行地面輔道及人非系統(tǒng)。

3.2主梁形式的選擇

按材料劃分，主梁一般有三種形式：混凝土結(jié)構(gòu)、全鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。相比全鋼結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)自重大，下部結(jié)構(gòu)規(guī)模大，施工速度慢。因此，本橋主梁宜采用全鋼結(jié)構(gòu)。

本橋的顯著特點(diǎn)是雙層橋面，車道數(shù)量多、橋面寬，與鋼箱梁相比較，主梁更宜采用鋼桁梁的形式。為提高主梁剛度，減少用鋼量，鋼橋面板除承擔(dān)局部荷載外，還與主桁共同參與總體受力，稱為“結(jié)合鋼桁梁”［3］。

3.3橋型的選擇

斜港大橋主跨180 m，適用于此的橋型有自錨式懸索橋，斜拉橋、梁橋、拱橋。在選擇橋型時(shí)，除了考慮道路線形、結(jié)構(gòu)受力、施工方案、通航要求等常規(guī)因素外，鑒于斜港橋位于蘇州的千年古橋?qū)殠驅(qū)γ妫瑯蛄盒螒B(tài)還需充分考慮與環(huán)境相協(xié)調(diào)，體現(xiàn)傳統(tǒng)文化等因素。

蘇州地處江南水鄉(xiāng)，歷史悠久，山明水秀，文韻厚重，人杰地靈，歷來享有“上有天堂，下有蘇杭”的美譽(yù)。蘇州又是一座著名的水城，整個(gè)古城依水而造，前巷后河，形成“小橋、流水、人家”的獨(dú)特風(fēng)貌。蘇州的古橋以石拱橋居多，現(xiàn)代橋梁中也有大量的系桿拱橋。斜港大橋面對(duì)著蘇州的千年古橋——寶帶橋，是一座53孔的石拱橋。斜港橋的造型必須與之呼應(yīng)，以體現(xiàn)橋梁與自然景觀和人文環(huán)境相和諧的設(shè)計(jì)效果。從城市文化和橋位特色的角度出發(fā)，選擇拱橋最為適宜，拱橋也是一種造型變化最豐富、最富有傳統(tǒng)特色的橋型。設(shè)計(jì)中進(jìn)行了兩種方案的比選。

（1）方案一：吳波曉月

相傳在農(nóng)歷八月十八子時(shí)明月當(dāng)空，寶帶橋的每一個(gè)橋孔都幻出一個(gè)月亮，隨波起伏，猶如一串明月。本方案主題即為“吳波曉月”，跨徑布置為75 m+180 m+75 m=330 m，采用下承式梁拱組合體系。拱采用三根鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在空間上呈三角形布置。主梁采用雙層橋面桁架形式，見圖2。

（2）方案二：古韻悠長(zhǎng)

蘇州的音樂源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，蘇州的樂師們?cè)陂L(zhǎng)期的改革創(chuàng)新中恢復(fù)了失傳已久的傳統(tǒng)樂器-箜篌。本方案的主題為“古韻悠長(zhǎng)”，主拱的造型取自箜篌上弦的曲線。主橋采用下承式拱梁組合體系，跨徑布置為69 m+180 m+69 m=318 m。主拱采用全鋼結(jié)構(gòu)的桁架形式，主梁采用雙層橋面桁架形式，見圖3。

圖2　方案一吳波曉月日景鳥瞰

圖3　方案二古韻悠長(zhǎng)日景鳥瞰

經(jīng)征詢蘇州市職能部門、專家和市民意見，最終確定方案二作為斜港大橋的推薦方案。

4　推薦方案結(jié)構(gòu)形式的方案比選

4.1桁式的選擇

鋼桁梁的桁式一般有華侖桁、三角桁（又稱純?nèi)A侖桁）、N形桁（又稱普拉特桁），見圖4～圖6。

圖4　華侖桁

圖5　三角桁

圖6　N形桁

相比華倫桁，三角桁與N形桁外形和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更簡(jiǎn)潔。N形主桁與三角主桁的區(qū)別在于桿件的長(zhǎng)度，當(dāng)鋼桁梁的桁高與節(jié)間距一定時(shí)，三角主桁的桿件最大長(zhǎng)度較N形主桁小；也即當(dāng)桿件的最大長(zhǎng)度一定時(shí)，三角主桁的節(jié)間距或桁高可以更大。當(dāng)桿件為壓屈穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)時(shí)，三角主桁更經(jīng)濟(jì)。本橋活載比重較大，壓屈穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)的桿件較多，采用三角桁式較優(yōu)。

4.2節(jié)間長(zhǎng)度及吊桿間距的選擇

加勁梁主桁節(jié)間長(zhǎng)度需與吊桿間距相匹配，常規(guī)長(zhǎng)度為6 m、9 m、12 m。根據(jù)道路縱斷面設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)高度需盡量降低，導(dǎo)致橫梁高度受到限制；為減少主桁框架的節(jié)間彎矩和扭矩，橫梁根數(shù)宜盡可能少。綜合考慮，橫梁中心間距定為4.5 m。由橫梁間距確定主桁節(jié)間長(zhǎng)度為9 m，相應(yīng)吊桿間距也定為9 m。

4.3桁片的比選

針對(duì)本橋橋面較寬的特點(diǎn)，進(jìn)行了兩片主桁和三片拱肋主桁兩個(gè)方案的比選，見表1。

表1　桁片綜合比選表

經(jīng)綜合比選，雖然方案二和造價(jià)相對(duì)較省，但考慮到斜港大橋?qū)坝^效果要求較高，同時(shí)施工工期較緊，故選擇兩片桁架作為推薦方案。

4.4成橋吊桿力的比選

本橋?yàn)楣傲航M合體系，成橋吊桿力決定了外荷載在拱梁之間的分配比例。本文分別對(duì)比了成橋吊桿力承擔(dān)33%、60%、75%、100%恒載重量時(shí)，主橋主要構(gòu)件的受力情況（工況為主力組合下），見表2。

表2　成橋吊桿力與主橋構(gòu)件應(yīng)力的關(guān)系

從總體穩(wěn)定性（特別是上拱）和屈曲穩(wěn)定角度來看，主拱應(yīng)力不應(yīng)過大；應(yīng)充分發(fā)揮主梁剛度大的優(yōu)勢(shì)。

吊桿力為33%恒載時(shí)，主梁應(yīng)力過大，需要加強(qiáng)，不宜采用。吊桿力為60%、80%、100%時(shí)，主梁、主拱受力均符合規(guī)范要求，并有一定富裕。

同時(shí)，設(shè)計(jì)對(duì)比了二、三、四工況下，拱的穩(wěn)定性，工況二下拱的穩(wěn)定性最好。

經(jīng)綜合比較，最終吊桿力確定承擔(dān)約75%恒載重量，取為1 764 kN。

5　推薦方案總體設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述比選，最終推薦方案定為雙層橋面桁架式拱梁組合體系，主橋跨徑布置為69 m+180 m+ 69 m=318 m。橫橋向布置兩片主桁，主桁間距36 m。上層橋面寬41.6 m，其中車行道寬33 m，為城市快速路；下層橋面寬48.6 m，其中車行道寬33 m，為城市主干路；上層橋面設(shè)置1 m寬的檢修道，下層橋面設(shè)置1.5 m寬人行道和3 m寬非機(jī)動(dòng)車道，見圖7、圖8。

圖7　立面布置圖（單位：m）

圖8　斷面布置圖（單位：cm）

6　結(jié)　語

城市橋梁的設(shè)計(jì)，不僅滿足交通功能，同時(shí)還要綜合考慮城市景觀需求。斜港大橋采用雙層橋面布置，全橋共十六車道，車道規(guī)模在國(guó)內(nèi)外位居前茅。主橋采用雙層橋面桁架式拱梁組合體系，是一座設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)復(fù)雜、科技含量較高和創(chuàng)新建設(shè)的橋梁。通過本文的介紹，希望能為類似的橋型提供更多的設(shè)計(jì)和研究經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而推動(dòng)其發(fā)展。

［1］孫建淵，陳階亮.城市橋梁雙層交通的概念設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2006（2）:39-42.

［2］段雪煒，徐偉.重慶朝天門長(zhǎng)江大橋主橋設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)［J］.橋梁建設(shè)，2010（2）:37-40.

［3］馬骉，顏愛華，鄧青兒，等.上海閔浦大橋設(shè)計(jì)與構(gòu)思［J］.上海建設(shè)科技，2010（5）:1-4.

［4］周良，張本良，彭俊，等.閔浦二橋主橋設(shè)計(jì)及技術(shù)創(chuàng)新［J］.城市道橋與防洪，2010（9）:24-29.

［5］肖汝誠(chéng).橋梁結(jié)構(gòu)體系［M］.北京:人民交通出版社，2013.

［6］閆興非，鄧瑋琳，彭俊，等.公軌雙層大跨徑鋼桁架橋節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)市政工程，2011（5）:68-72.

U442.5

B

1009-7716（2016）07-0093-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.028

2016-03-08

宋馨（1975-），女，山東濱州人，高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。