多跨拱梁組合橋設計研究

李釗

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市 2 00235）

多跨拱梁組合橋設計研究

李釗

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市 2 00235）

介紹了一座跨海大橋的設計過程,該橋是一座連接人工海島與陸地的跨海車行橋，橋梁結構采用了五跨連拱的拱梁組合體系，橋梁結構復雜，拱肋高低起伏，造型優美。

拱梁組合體系；提籃拱；錨固架；顫振失穩；渦激振動

1 工程概況

1.1 項目背景

該景觀橋位于海南省某海灣內,是一座連接人工島與陸地的車行橋。人工島由三個島串聯組成,其中一號島（381 hm2）規劃為綜合服務區，主要有風情酒店、商務會議、健康運動、溫泉、飲食、酒吧等旅游配套服務；二號島（248 hm2）、三號島（154 hm2）規劃為配套旅游地產。根據人工島整體規劃及城市建設計劃，人工島有三條進島通道，其中一號島通道為主要通道，包括：跨海段車行橋、人行橋、接線引橋、接線匝道等部分。本橋為一號島通道的跨海段車行橋部分。

該景觀橋是人工島連接陸地側濱海大道的一條主要通道，其中跨海段長度約為500 m，橋梁入島后通過主線引橋和上下橋匝道與島上的交通樞紐相聯系。橋梁方案前后經過多輪招標和修改，最終確定跨海段主橋方案為-五跨連拱的拱梁組合體系橋，見圖1。

圖1 橋梁效果圖

1.2 技術標準

（1）道路等級：城市次干路；

（2）設計車速：40 km/h；

（3）設計荷載：城-B級[1]；

（4）設計凈空：機動車道4.5 m；

（5）設計基準期：100 a；

設計安全等級：一級，γ0=1.1[2]；

（6）橋面鋪裝：8 cm混凝土+10 cm瀝青；

（7）常水位標高：1.50 m；河床底：-3.0 m；

（8）通航凈空：6.5 m；通航凈寬：30 m；

（9）橋梁縱坡：最大3.0%，最小0.3%；

（10）橋梁橫坡：2%；

（11）環境類別：Ⅲ類（海水環境）[2]；

（12）基本風速：40.4 m/s（百年一遇）；

（13）設計斷面：1 m（索區）+1.75 m（檢修道）+15 m（車行道）+1.75 m（檢修道）+1 m（索區）=20.5 m；

（14）抗震等級：地震動峰值加速度為0.1g（基本烈度7度）。

2 總體布置

2.1 總體設計

本橋采用了“索輔梁”的設計概念，結構受力主體為預應力混凝土連續梁，拱肋作為輔助受力結構和裝飾性構件，僅承擔部分恒載和活載。設計中,吊桿承擔約18%恒載，20%活載。

預應力混凝土連續梁為3聯，跨徑布置為4× 40 m+（60 m+80 m+60 m）+4×40 m=520 m。其中60 m+80 m+60 m主橋為變高度預應力混凝土連續梁，4×40 m引橋為等高度預應力連續梁,橋梁為雙向四車道。

橋拱采用五跨連拱結構，跨徑布置為82 m+ 80 m+200m+80 m+83 m=525 m，每跨由兩片拱肋組成。主拱、邊拱均采用提籃拱的結構形式，拱肋由拱腳至拱頂向內側傾斜，拱軸線與水平面夾角呈78.1°，拱腳中心線橫橋向水平距離31.0 m，見圖2。

圖2 橋梁總體布置圖（單位：m）

梁和拱的基礎均采用承臺+鉆孔灌注樁的形式，梁、拱基礎分離設置。引橋橋墩和主橋邊墩樁徑為1.5 m；拱肋主拱基礎樁徑為2.0 m，其余為1.5 m。橋臺采用重力式橋臺，橋臺承臺厚1.5 m，樁徑為1.0 m。

橋墩采用單柱空心開花墩，墩底橫橋向寬3.2 m，墩頂展開至 7.4 m，以便于上部結構支座的布置。

本橋拱腳采用了反力錨固架的形式，錨固架利用螺栓與承壓鋼板和承臺混凝土結合，傳遞拱腳上部荷載。考慮到拱肋錨固架的布置拱腳承臺設置了二承臺。

2.2 施工過程

（1）新建臨時土圍堰，排除圍堰內海水，清淤，整平；施工車行橋和拱肋基礎；鋼拱肋工廠預制，定位拱腳反力架；

（2）搭設支架，預壓，現澆混凝土箱梁；拆除支架，搭設少支架，進行拱肋安裝；

（3）拆除少支架，橋面系施工；灌注拱腳壓重混凝土，張拉吊桿；

（4）箱梁、拱肋涂裝，拆除臨時土圍堰；施工橋下親水平臺、填島；竣工通車。

3 梁的設計

3.1 4×40 m預應力混凝土車行橋

引橋跨中和支點斷面見圖3、圖4。

引橋為4×40 m跨預應力混凝土連續梁，結構縱、橫向均按部分預應力A類構件設計，橋面板按鋼筋混凝土構件設計。梁中心高2.3 m，寬20.5 m，橋梁采用單箱五室箱形斷面，頂板設置2%雙向橫坡，底板水平。標準段頂、底板厚250 mm，腹板厚450 mm，支點處底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。箱梁端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬2.5 m。

圖3 引橋跨中斷面（單位：cm）

圖4 引橋支點斷面（單位：cm）

每聯引橋設置8對吊桿，吊桿間距8 m，吊桿位置處設置250 mm厚橫隔板。結構計算時，隔板僅作為集中力考慮，不考慮其剛度。

3.2 60 m+80 m+60 m預應力混凝土車行橋

主橋為60 m+80 m+60 m三跨變高預應力混凝土連續箱梁結構，結構縱、橫向均按部分預應力A類構件設計，橋面板按鋼筋混凝土構件設計。梁中支點梁高4.8 m，邊支點及跨中梁高2.3 m，梁底按照二次拋物線過渡，橋寬20.5 m。標準橫斷面頂底板厚250 mm，腹板厚450 mm；支點處底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。頂板設置雙向2%橫坡，底板水平。箱梁端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬2.8 m，見圖5。

圖5 主橋立面圖（單位：cm）

主橋共設置18對吊桿，吊桿間距8m，吊桿位置處設置250 mm厚橫隔板。

箱梁總長200 m，考慮到腹板束過長，預應力損失過大，鋼束易拉斷，在中跨跨中設置2 m后澆段，腹板束在后澆段端面錨固。為便于腹板束張拉，在中跨跨中處設置一段8.5 m長腹板加厚段，腹板由450 mm加厚至1 050 mm。

4 拱的設計

4.1 拱肋構造

（1）200 m主拱

主拱跨徑200 m，拱平面內矢高62.859 m，線形為拋物線。拱肋板厚為16～24 mm。拱頂截面為2.5 m×2.5 m，拱底截面為3.0 m×6.3 m，截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。吊桿間距8 m，拱肋中在吊桿對應位置設置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。拱腳10 m范圍內填充C30微膨脹壓重混凝土，見圖6。

圖6 主拱肋拱頂斷面、隔板斷面、風撐斷面(單位：mm)

（2）82 m（83 m）邊拱

82 m（83 m）邊拱為不對稱結構，拱平面內矢高26.574 m，線形為拋物線，一側拱腳與80 m邊拱拱腳相接，另一側與陸地相接。拱頂截面為2.0 m× 2.0 m，拱底截面為3.0 m×5.7 m，截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。拱肋板厚為16～20 mm。吊桿間距8 m，拱肋中在吊桿對應位置設置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。靠岸一側拱腳5.2 m范圍內填充C30微膨脹壓重混凝土，另一側填充8.2 m。

（3）80 m邊拱

80 m邊拱為對稱結構，拱平面內矢高29.641 m，線形為拋物線，一側與79 m邊拱拱腳相接，另一側與200 m主拱拱腳相接。拱頂截面為2.0 m× 2.0 m，拱底截面為3.0 m×6.2 m。截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。拱肋板厚為16～20 mm。吊桿間距8 m，拱肋內在吊桿對應位置設置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。在拱腳12.4 m范圍內填充C30微膨脹壓重混凝土。

拱肋采用帶圓倒角的八角形的鋼箱斷面，在截面角點處以5 mm厚的鋼板做圓弧過渡，圓弧半徑為300 mm。該斷面線條柔和，避免了多邊形截面棱邊帶來的突兀感，與人工島的整體景觀相協調；截面風阻系數較小，可改善結構在橫橋向風荷載作用下的力學性能。

4.2 拱腳設計

鑒于傳統的鋼混結合段拱腳構造復雜，鋼筋沖突嚴重，定位困難，鋼混結合面容易出現應力集中等現象，本橋拱腳采用剛性柱腳錨固架的設計，利用螺栓和承壓鋼板與承臺混凝土結合，傳遞拱上荷載。拱壁鋼板進入承臺頂面0.8 m處截斷，設置上下承壓板，將拱壁直接焊接在承壓板上，并在上下承壓板間設置與拱壁對應的加勁板與肋板，形成拱腳處剛性區域。在承臺以下設置型鋼錨固架，作為錨桿錨固結構；上下承壓板設置螺栓孔，螺桿從螺栓孔穿過錨固在上承壓板上頂面，見圖7。

4.3 吊桿的設計

圖7 拱腳三維圖

吊桿間距8 m，邊拱各設6對吊桿，主拱設18對吊桿，全橋共計42對吊桿，吊桿長26.46～201.91 m。拱腳與承臺均為固結。

吊桿索體采用環氧涂層鋼絲雙層HDPE的PES.E(FD)5-37低應力防腐索體，鋼絲強度1670 MPa，鋼絲性能滿足GB/T25835-2010《纜索用環氧涂層鋼絲》的要求，吊桿兩端采用冷鑄錨。吊桿的安全系數K=3，即設計索力不大于破斷力的0.333倍。

吊桿配套錨具為：拱端為LZM5-37叉耳式固定端錨具，梁端為LZM5-37調節端錨具。

5 耐久性設計

橋梁位于海水環境內，設計環境類別為Ⅲ類，且橋梁鋼構件較多，耐久性設計需專門設計。主要采取的耐久性措施有：

5.1 混凝土構件

混凝土主要采用：控制混凝土的澆筑質量；控制混凝土的保護層厚度；添加適量的混凝土外加劑；混凝土箱梁外表面采用表面涂層保護。

5.2 預應力構件

預應力筋采用材料表面處理、預應力套管、套管填充、混凝土保護層和構造措施等措施保證。預應力錨固端，采用無收縮高性能混凝土封錨，并對新老混凝土連接面進行防水處理。采取構造措施，防止水直接作用錨固封堵端的外表面。

5.3 鋼構件

鋼結構設計中主要采用涂裝體系對鋼結構進行防腐。鋼拱肋外表面和預埋件外表面（防腐年限15 a）：無機富鋅底漆1道75 μm；環氧封閉漆1道25 μm；環氧（云鐵）漆2道150 μm；丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆/氟碳樹脂漆1道40 μm；氟碳面漆1道40 μm，合計330 μm。鋼拱肋內表面（防腐年限25 a）可少一層面漆。

5.4 浪濺區橋墩防腐

浪濺區橋墩的腐蝕等級為Ⅲ-F，防腐要求高，主要采取的防腐措施有：墩身采用海工混凝土；混凝土中摻入阻銹劑；墩身受力主筋采用環氧涂層鋼筋。

5.5 吊桿防腐蝕

吊桿索體采用環氧涂層鋼絲雙層HDPE的PES.E(FD)5-37低應力防腐索體。拉索錨具為冷鑄錨，外露表面須在施工完成后立即做二次防腐，防腐要求與拱肋鋼箱梁外表面防腐要求相同。使用中定期檢查吊桿拉索及錨頭的腐蝕情況，吊桿的使用年限為15 a。

6 抗風研究

6.1 研究目的

1940年美國塔科馬懸索橋風毀事故之后，橋梁的風致響應問題越來越受到重視。大跨度橋梁風致響應問題主要有：顫振失穩、靜力發散、隨機抖振、渦激振動和馳振失穩。

本橋中的大跨度鋼箱拱結構，由于自身剛度小、自振頻率低、阻尼小等原因，不可避免地會發生抖振效應。抖振除會使人感到不適影響行車安全外，還會引起結構的局部疲勞損傷，嚴重的會導致結構破壞。因此，專題立項對跨海大橋進行風致抖振分析和渦振響應分析。

6.2 研究結論

通過研究分析主要結論如下：

（1）通過特征值分析，拱肋動力特性參數見表1。

表1 拱肋動力特性值

（2）拱肋抖振響應分析結果見表2、表3。

表2 拱肋抖振分析最大位移

表3 拱肋抖振分析最大應力幅

風致抖振位移較小；吊桿橋面位置抖振產生轉角較小；拱肋最大應力幅在允許范圍內，風致抖振響應不控制設計。

（3）吊桿風致抖振響應：三跨拱吊桿的最大應力幅均發生在最短吊桿處，數值分別為47.9 MPa、137.3 MPa和207 MPa，應力幅較大，應適當減小短吊桿的截面剛度。

（4）渦振響應分析：渦振風速區域內，氣動力的數值相對較小，難以激起主拱結構較大的振幅。渦振響應不控制橋梁設計。

7 結語

2015年10月本橋已進入施工階段，橋梁建成后，將會改善海島與大陸的交通聯系，也會為海灣增添一道亮麗的風景。該橋建造環境為海洋環境，臺風多發區，建設條件惡劣，橋梁結構復雜，拱肋高低起伏，造型優美，具有較大的設計難度，本橋的設計經驗和科研結論具有一定參考價值。

[1]CJJ 11-2011,城市橋梁設計規范[S].

[2]JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規范[S].

[3]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[4]JTG D64-2015,公路鋼結構橋梁設計規范[S].

U448.21+6

B

1009-7716（2017）01-0047-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.013

2016-10-27

李釗(1983-),男,湖北孝感人,工程師,從事橋梁設計工作。