多跨連拱跨海景觀橋關鍵技術研究

楊帆

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

多跨連拱跨海景觀橋關鍵技術研究

楊帆

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 2 00092）

多跨連拱景觀橋景觀優美、造價不高、施工技術成熟。對多跨連拱橋的總體布置、計算、施工、耐久性進行了分析和設計。主拱上方會與腹拱形成一個三角框架體系，由此產生的溫度力十分大，正常的配筋根本無法滿足要求。故需將腹拱與主拱斷開,腹拱采用簡支方式支撐在主拱上。跨海橋梁設計中，耐久性設計是一個關鍵點，需采取增大保護層、控制裂縫、表面涂裝及添加阻銹劑等綜合措施。

多跨連拱；水平力；耐久性；施工順序

1 概 述

某人工島項目是某沿海省份的超大型旅游項目，通過人工填海形成若干造型奇特的島嶼，再通過跨海大橋與陸地連接。本工程是人工島島間的連接工程，位置重要且景觀要求高。由于島嶼四周環形道路標高的限制，跨徑不宜過大否則橋頭要抬高，本橋跨徑定為13 m+20 m+22 m+24 m+24 m+ 22 m+20 m+13 m八跨連拱橋，鋼筋混凝土上承式拱橋，見圖1。

圖1 效果圖

拱橋結構簡單,承載能力大,在我國公路、鐵路上得到廣泛使用[1]。其中多跨連拱景觀優美、造價不高、施工技術成熟，適用于有景觀要求且通航標準不高的區域。

2 總體設計

橋梁跨徑除邊跨外為20～24 m,矢跨比為1/2.9～1/3.2，邊跨的矢跨比增大，有利于減少邊墩水平推力。主拱斷面高1 040 mm，內設直徑600 mm孔洞；腹拱斷面高820 mm，內設直徑400 mm孔洞，內設孔洞有利于減少拱身自重。下部結構采用墻式墩接承臺，基礎采用1 500 mm鉆孔灌注樁。橋臺采用輕型橋臺，1 200 mm鉆孔灌注樁，梅花型布置。立柱寬3.5 m,承臺6.25 m×2 m×19.3 m。

地層自上而下由①素填土、②生物碎屑角礫、③粉質黏土、④粉質黏土、⑤海灘巖、⑥粉質黏土組成。第⑥粉質黏土可塑～硬塑狀，工程性能較好，為良好的樁基礎持力層。

由于景觀及橋頭道路的限制，此橋無法設置抗水平推力的重力式橋臺，致使其受力體系與一般的多跨連拱橋不同。多跨連拱是超靜定結構，溫度荷載特別大，一般采用較柔性的橋墩及基礎，并需設置單向抗水平推力墩。此工程適當加強每個橋墩及基礎剛度，以對抗水平推力。

在初步試算后發現，如果腹拱與主拱剛接在一起，主拱上方會與腹拱形成一個三角框架體系，由此產生的溫度力十分大，正常的配筋根本無法滿足要求。故需將腹拱與主拱斷開，采用簡支方式支撐在主拱上，以簡化橋梁受力關系。

橋型布置見圖2。

減輕橋梁自重是混凝土板拱設計過程中的一個關鍵考慮因素。主拱及腹拱的截面采用空心截面（見圖3、圖4）。拱上建筑的填料采用輕質泡沫混凝土，很大程度的減少了橋梁的自重。

3 結構計算模型及驗算結果

結構分析需建立總體模型全面考慮[2]。采用MIADS軟件建立全橋上下部空間模型。

拱上建筑及橋面系重量按荷載加載到模型里。模型考慮樁土相互作用，樁基按每米長等效為1個彈簧，把彈簧剛度輸入到模型中，來模擬實際的樁土相互作用。考慮溫度作用、不均勻沉降作用、汽車及人群作用。

圖2 橋型布置圖(單位：mm)

圖3 主拱斷面(單位：mm)

圖4 腹拱斷面(單位：mm)

橋梁施工順序從樁基、承臺、橋墩到上部結構，拱圈從兩側向中間施工，模型按實際施工順序模擬施工階段，見圖5。

圖5 橋梁計算模型

此工程抗震設防類別丁類、抗震措施等級7度，地震等級不高，經抗震計算，抗震不控制結構尺寸及配筋。

3.1 承載能力極限狀態驗算

（1）正截面極限承載能力驗算

按《公路橋涵設計通用規范》進行承載能力極限狀態內力的荷載組合，按照空心板的配筋進行截面極限承載力驗算，結果如下。

由圖6結果可知，基本組合最大彎矩為：19 212 kN·m；抗彎極限承載力為：46 714 kN·m，抗彎承載能力滿足要求。

圖6 拱肋基本組合彎矩設計值及其對應的抗力（單位：kN·m）

由圖7可知，基本組合最大彎矩為：13 546 N·m；抗彎極限承載力為：35 035 kN·m，抗彎承載能力滿足要求。

圖7 腹拱基本組合彎矩設計值及其對應的抗力（單位：kN·m）

結果表明驗算截面的設計彎矩均小于截面極限承載彎矩。結構承載能力滿足設計規范要求。

（2）斜截面抗剪承載能力計算

由程序計算得主要控制截面剪力組合設計值Vd（已計入結構重要性系數）及抗剪強度列下表如下。

由圖8可知，基本組合最大剪力為：6 377 kN；抗剪彎極限承載力為：20 138 kN，抗剪承載能力滿足要求。

圖8 拱肋基本組合剪力設計值及其對應的抗力（單位：kN）

由圖9可知，基本組合最大剪力為：4 798 kN；抗剪彎極限承載力為：18 247 kN，抗剪承載能力滿足要求。

圖9 腹拱基本組合剪力設計值及其對應的抗力（單位：kN）

結果表明驗算截面的設計剪力均小于截面極限承載剪力。結構承載能力滿足設計規范要求。

（3）單向推力驗算

此工程橋墩基礎都已加強。驗算連拱橋局部一孔坍塌時，橋梁的極限承載力也滿足要求，不會整體坍塌。

3.2 裂縫驗算

裂縫驗算見表1、表2。

表1 拱肋主要截面裂縫寬度驗算

最大裂縫寬度為0.129 mm，鋼筋混凝土構件在III類環境中的裂縫限制寬度為0.15 mm，主要控制截面裂縫寬度滿足規范要求。拱的各項指標都能控制在規范允許范圍內[3]。

4 耐久性設計

本橋位于海洋環境，炎熱地區，按照《混凝土結構耐久性設計規范》環境作用等級屬于Ⅲ-F，是氯化物環境中的最高等級[4]。耐久性設計是本工程一個關鍵性設計要點。

（1）保護層厚度

在海洋環境中的混凝土結構，由于氯鹽的存在，混凝土保護層的厚度應比一般的混凝土保護層厚度要大一些。除了要滿足橋梁設計規范中確定的最小保護層厚度外，參考類似工程確定本工程的最小保護層：

拱圈：主筋最小保護層厚度70 mm。

墩柱：主筋最小保護層厚度取70 mm。

承臺：承臺底主筋保護層160 mm,其余主筋最小保護層厚度70 mm。

鉆孔灌注樁：主筋最小保護層厚度85 mm。

（2）高性能海工混凝土

高性能海工混凝土與普通混凝土的差別在于通過摻入粉煤灰、高爐礦渣、微硅粉中的一種或多種摻料，來提高混凝土在特定條件下所需要的特定性能，如高彈性模量、低滲透性以及抵抗某些類型破壞的性能。

高性能混凝土從指標上來看，相對普通混凝土，對骨料的最大粒徑、最高水灰比等方面均做出了更嚴格的規定要求。

本工程中：拱肋、側墻、橋墩采用高性能海工混凝土。

（3）嚴格控制裂縫寬度

普通混凝土構件：短期效應組合裂縫寬度不大于0.15 mm[5]。

（4）混凝土表面涂層體系

全橋墩柱、拱圈外表面均涂刷防腐涂料。根據《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》（JT/T 695-2007）的要求，本工程大部分墩柱及拱圈大部分位于水位變動區域及浪濺區，混凝土外表面的推薦涂層體系為：90 μm環氧聚硅氧烷漆+300 μm環氧樹脂+50 μm潮濕表面容忍性滲透性環氧封閉底漆。腐蝕環境等級為Ⅲ-2型，防腐設計年限為20 a。

（5）混凝土摻阻銹劑

全橋拱肋、墩柱混凝土均摻入阻銹劑。

（6）本工程涉及到的可能與大氣或海水直接接觸的其他鋼構件（泄水槽、支座鋼板、螺栓、螺母等），均需要設置表面防腐，采用表面鍍鋅50 μm防腐處理。

5 橋梁施工

一般跨海、跨河橋梁施工需設置通長棧橋，利用棧橋運輸混凝土泵車、鋼護筒、鋼套箱、墩柱模板、鋼筋等工程所需各類設備及材料，運輸方式與陸路運輸基本相同。通過設置橫向馬道及樁基施工平臺進行海中橋梁樁基的施工，樁基需要下放較長的鋼護筒，承臺采用鋼套箱施工方式，并施做封底混凝土。橋梁墩柱及蓋梁均采用海上立模現澆方式。上部結構預制梁通過浮吊吊裝施工。

本工程上部結構為現澆結構，需要搭設支架。考慮到本橋跨徑不大，可在承臺上搭設貝雷梁，貝雷梁上再搭設支架。

多跨連拱的拱圈施工必須有嚴格的施工順序，需從橋梁兩側向中跨澆筑，嚴禁嚴禁從主拱一端到另一端的單向作業。

一般橋梁合龍溫度均為最低溫度，因為降溫過程產生的拉力不利于橋梁結構。但本橋為橋臺無水平推力的多跨連拱，升溫過程產生的向外側的水平推力，對結構產生了較大的不利影響，所以在反復模型試算后，將中跨的合龍溫度定位年平均溫度20℃左右。

另外，結構自重是混凝土板拱的主要受力來源，控制混凝土澆筑超方，是施工過程中的重要關注點。

6 結 語

城市橋梁的景觀要求在城市橋梁建設中的比重越來越重，本文介紹了多跨連拱景觀橋設計的關鍵技術：總體布置、計算、施工、耐久性設計等。通過計算發現，無水平推力的橋臺是本工程的結構體系一個關鍵影響因素，必須重新適當調整下部結構與上部結構的剛度之比來平衡溫度力。另外，跨海橋梁設計中，耐久性設計是一個關鍵點，需采取增大保護層、控制裂縫、表面涂裝及添加阻銹劑等綜合措施。最后，跨海橋梁施工是工程難點。需設置長棧橋和橫向馬道，利用鋼護筒和鋼套箱施工樁基和承臺，然后承臺之間搭設貝雷梁及支架，現澆上部結構。多跨連拱的拱圈施工必須有嚴格的施工順序，需從橋梁兩側向中跨澆筑，合龍溫度應根據模型計算確定。

[1]顧安邦.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]王國鼎,鐘圣斌.拱橋[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[4]GB/T 50476-2008,混凝土結構耐久性設計規范[S].

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

U448.22

B

1009-7716（2017）01-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.014

2016-10-28

楊帆（1984-），男，四川成都人，工程師，從事橋梁設計工作。