多跨連續拱橋拓寬改建的設計與思考

戎華欽

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 概述

金商公路白石磯橋位于青浦區淀山湖與元蕩交界處，跨越淀山湖湖區。橋位處有現狀白石磯老橋一座：該橋為一座上承式鋼筋混凝土七跨無鉸肋拱橋，修建于1983年，設計荷載為汽車-15級，掛車-80；橋梁全長244.8 m，橋寬10.5 m，中間七孔拱橋凈跨徑均為32.0 m，凈矢跨比為1/7；橋梁上部結構由肋拱、排架及橋面板組成，每跨橫向布置3榀拱肋，拱肋的拱腳部分為矩形截面，拱肋在拱腳、1/4跨及拱頂設工字形橫系梁，每跨主拱上方均設有排架以支承橋面預制空心板梁；下部結構采用高填土組合式橋臺，由樁基橋臺和阻滑板組合而成，橋臺及橋墩基礎均采用直徑1.0 m的鉆孔灌注樁。白石磯老橋立面布置如圖1所示。

圖1 白石磯老橋立面圖（單位：m）

白石磯橋所在金商公路擬進行拓寬改建，改建后金商公路由原先的三級公路提升為二級公路，道路斷面由雙向兩車道拓寬至雙向四車道+4.5 m環湖慢行道的規模。因此，由于道路提升改造的需要，需要對既有橋梁進行改建。

本文首先介紹了白石磯橋老橋保留利用，東側另拼新橋的改建方案，既節省工程投資，也保留了這樣一座歷史悠久、結構優美、上海地區唯一的七跨連拱橋；其次從結構體系、橋面結構的設計等角度對連拱橋的設計進行一系列的剖析，為同類多跨長聯連續拱橋的拓寬改建設計開拓思路。

1 改建方案

白石磯老橋設計荷載為汽-15、掛-80，道路改建后橋梁設計荷載提升至公路-Ⅰ級；雖然其承載力經檢算已無法滿足現行荷載標準要求，但是該橋經過三十多年運營，根據該工程檢測資料，老橋實測拱軸線和設計拱軸線基本吻合，且橋臺無位移和沉降，檢算表明滿足原設計荷載運營要求；因此，在金商公路改造時對其予以保留是可行的。白石磯老橋保留利用后改建方案斷面如圖2所示。

圖2 白石磯橋改建橫斷面（單位：m）

該方案老橋雖然仍然維持原汽-15、掛-80的設計荷載標準，但是利用老橋作為一根車行道+人非慢行道，相比較現狀雙向兩根車道通行的情況是偏于安全的，同時也有利于東側新建橋梁三個車道的交通組織。其次，東側新橋設置了2.7 m的硬路肩主要考慮新橋西側單車道長度過長，如不設置則當車輛拋錨時，易產生交通擁堵；此外，當老橋出現較大病害，限制機動車通行時，可通過壓縮東側慢行道寬度實現雙向四車道。

東側新建橋梁為保持既有橋梁的設計風貌，新橋采用了與老橋一致的連續拱橋，并使用了新體系、新技術(體外索、組合橋面板等)來解決連續拱橋推力過大的問題。

2 結構體系

考慮到上海地區的軟土地基的特性，對于多跨連拱橋的結構體系，解決水平推力問題一直是拱橋設計的重點和難點[1]，主要解決其邊拱抗推的問題，因此提出的三種解決方案：

（1）方案一：采用群樁基礎橋臺+摩阻板的方式；

（2）方案二：在兩側邊墩底的承臺上張拉體外預應力，這也是軟弱地質狀況下，在流速較小且不通航的河道上建造上承式拱橋的一種常用處理方式；

（3）方案三：參照飛鳥拱的設計思路[2-3]在拱橋邊跨之后增加半跨，兩側半跨的拱頂采用預應力連接，將上部拱結構形成自平衡體系，從而平衡邊拱拱座水平力。

綜合比較以上幾種方案在該工程中的適應性得出以下結論：

所有患者均先行彩色多普勒超聲檢查，多切面觀察盆腔腫塊病變部位、大小、形態、內部結構、壁、后方聲影、分隔、內部回聲性質等，并顯示彩色多普勒檢測病變內部及周邊血流顯示情況。彩色多普勒超聲評價參照Lerner[2]等評分方法進行評價，即依據壁的厚度、后方聲影、內部分隔、內部回聲評分。

方案一通過群樁基礎及摩阻板的抗滑作用共同抵御橋臺水平力，老橋邊拱抗推設計即采用此方案，當土質較差且水平力較大時，橋臺處不但會引起開挖量大而且軟弱地基在水平力作用下產生的蠕變是難以量化和控制的；并且根據對老白石磯橋的復算，老橋現有的阻滑板堆土高度已不能滿足公路-Ⅰ級荷載的下抗推要求。

方案二設置的體外預應力的置于拱腳位置下方，直接平衡拱腳水平力，但體外預應力設于水下，實際施工難度較大，且放樣后發現體外預應力鋼束難置于河床地面線以下，因此其防腐及防撞處理均比較困難，在該工程實例中不適宜采納。

方案三采用飛鳥式拱橋的思路，是處理該結構方案水平推力的問題的解決方法：由老橋推力拱橋的形式調整為少推力拱橋，如圖3所示。

3 橋面結構型式

對于多跨鋼筋混凝土肋拱橋，為方便橋面結構的施工可考慮采用鋼-混凝土組合梁橋面板，或者采用鋼筋混凝土預制橋面板；和傳統鋼筋混凝土橋面相比，鋼-混凝土組合梁結構受力性能更好，重量更輕。因此，在進行橋面結構選擇的時候需進行包括構經濟性在內的綜合比選，如圖4、圖5所示。

圖3 邊拱體系調整示意圖

（1）方案一：鋼-混凝土組合梁橋面板

圖4 鋼—混凝土組合橋面板

（2）方案二：混凝土剛接空心板梁

圖5 混凝土剛接空心板梁

從橋面板使用性能角度，方案一鋼-混凝土組合梁橋面板采用鋼梁+整體現澆橋面板結構，結構整體性更好；方案二橋面空心板梁標準跨徑為4.19 m，采用鋼筋混凝土結構，其結構剛度及耐久性能不如鋼-混凝土組合結構，此外，橋面結構全部為簡支結構，整體性差且簡支結構橋面連續縫位置開裂的問題始終無法得到很好的解決。

從橋面結構對拱橋整體受力角度，根據兩個方案整體計算，兩個方案對拱圈的恒活載受力比較如表1所示。

表1 恒活載比例對比

從上表1可以看出，由于鋼筋混凝土橋面板自重更大，拱圈內力中恒載比例更高。恒載較大會增加拱圈施工過程中的不平衡水平推力，這是因為考慮施工中的實際情況，九跨連拱橋各跨同時一次落架非常困難，所以，考慮拱圈分批落架勢必會造成不平衡水平力，這對軟土地基的拱橋來說是十分不利的，會增加施工過程中的風險。此外，連續拱橋在設計過程中還必須考慮防止運營期間因一孔拱圈意外破壞而引起的連續垮塌現象，所以恒載的增加還會導致止推墩設計難度和造價增加。

從整體經濟性角度，當采用組合橋面板時雖然采用鋼結構會導致橋面系造價增加，但是，恒載的降低會使得拱橋拱肋及下部結構材料用量更省，特別是拱圈推力減小對下部樁基的影響。和鋼筋混凝土橋面板相比，采用組合橋面板全橋造價增加約5%。

綜合上述分析，采用組合橋面板結構的主橋整體造價略有增加，但是無論從施工角度、使用性能、受力性能等角度均優于鋼筋混凝土橋面板；考慮到組合橋面板方案施工階段所產生的不平衡水平推力更小，更有利于施工期間結構安全；因此，該工程橋面結構采用鋼-混凝土組合橋面板。

4 伸縮縫布置

多跨連續拱橋整體計算過程中，當考慮拱上結構與拱圈聯合作用時[4]，計算發現橋面板的伸縮縫的設置位置對拱圈內力影響較大，該工程比較了3個伸縮縫布置方案，分別如圖5～7所示。

圖5 方案一：每個拱座位置均設置伸縮縫

圖6 方案二：共設置四道伸縮縫

圖7 方案三：全橋面連續，僅端部設縫

三種伸縮縫布置情況，拱圈分別在主要荷載溫度、汽車工況以及荷載基本組合[5]下拱腳及拱頂最大彎矩值分別如表2所示。

表2 拱圈受力對比

從上面橋面板伸縮縫位置對拱圈受力的影響可以看出：伸縮縫布置對拱頂受力影響不大，對拱腳影響顯著，對當橋面板結構采用全橋連續布置時，拱肋受力最優（主要為溫度影響，收縮效應與溫度相同），當荷載在基本組合時，拱腳最大彎矩和另外兩個方案相比減小近30%，該方案對主拱結構受力最好。此外，從使用性能角度，當橋面板全橋連續布置，其行車舒適度最好而梁端位移較大的問題可通過設置位移量較大的橋面伸縮裝置予以解決。該工程伸縮縫布置最終采用方案三橋面結構全橋連續的形式。

5 結語

多跨連續拱橋是一種景觀效果較好的橋型，早年間上海地區建設了一批這樣的橋。目前，由于道路功能提升，一些該類橋梁即將面臨拓寬改建。本文以金商公路白石磯橋的改建為背景，考慮到該橋的實際使用性能仍維持良好，改造時予以了保留利用，東側另建新橋，老橋則作為一根車道及人行和非機動車使用，為同類的橋梁的拓寬改建提供解決案例。

東側新建的橋梁仍采用與老橋相一致的多跨連續拱橋，但該類橋型拱腳推力大，本文提出了采用飛鳥拱的解決思路，將推力拱橋改進為部分推力拱橋；并采用鋼-混凝土組合橋面板以減輕恒載降低拱的推力，最后對橋面板的伸縮縫布置方案進行了試算比較，給出了合理建議。上述若干節點的處理方式可為軟土地基上該類型多跨連拱橋設計提供思路。