漯河市牡丹江路沙河大橋設(shè)計(jì)

王安民

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

漯河市牡丹江路沙河大橋工程位于河南省漯河市城鄉(xiāng)一體化示范區(qū)的核心位置，是跨越沙河連通兩岸的1座重要的景觀橋梁，也是示范區(qū)率先建設(shè)的地標(biāo)性建筑，對(duì)于展示城市“中原生態(tài)水城”的景觀特色、拉動(dòng)示范區(qū)高水平發(fā)展都有十分重要的意義。工程包括跨河景觀主橋、引橋、高填土引道等內(nèi)容，路橋總長(zhǎng)度980 m。

1 主橋方案構(gòu)思

漯河有著靚麗怡人的濱江景觀帶，大橋緊扣北方園林水城自然融洽的特色，通過建筑藝術(shù)手法的創(chuàng)作，用優(yōu)雅的曲線組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一拱軸線，打造沿江碧翠的視覺焦點(diǎn)。

漯河市牡丹江路沙河大橋效果圖見圖1。

圖1 沙河大橋效果圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，曲線鋼拱即作為承重結(jié)構(gòu)，在造型立意彰顯的同時(shí)，達(dá)到力學(xué)與美學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市次干路。

（2）設(shè)計(jì)車速：40 km/h。

（3）設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，人群按規(guī)范取用。

（4）主橋標(biāo)準(zhǔn)斷面：3 m人行道+3.5 m非機(jī)動(dòng)車道+2.5 m吊桿錨固區(qū)+0.5 m防撞護(hù)欄+11.25 m機(jī)動(dòng)車道+2.5 m分隔帶+11.25 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m防撞護(hù)欄+2.5 m吊桿錨固區(qū)+3.5 m非機(jī)動(dòng)車道+3 m人行道=44 m。

（5）通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅳ級(jí)限制性航道（凈高7 m）。

（6）防洪標(biāo)準(zhǔn)：100 a一遇，水位61.8 m。

（7）抗震要求：設(shè)防烈度為6度，考慮主橋跨徑較大，按7度采取抗震措施。

3 主橋總體布置及傳力路徑

本橋主橋采用4跨下承式拱梁組合體系[1]，預(yù)應(yīng)力混凝土雙主梁+異形空間交叉鋼拱結(jié)構(gòu)，跨徑布置為：44 m+88 m+88 m+44 m=264 m。

主橋總體立面布置圖、總體平面布置圖見圖2、圖 3。

鋼拱通過吊桿與雙主梁共同承擔(dān)荷載作用。鋼拱拱腳產(chǎn)生的水平推力由混凝土箱梁的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)平衡，在梁內(nèi)不設(shè)獨(dú)立系桿。

主橋主拱采用空間布置，平面拱軸線為X形對(duì)稱直線，立面拱軸線為2條對(duì)稱交匯的橢圓線。主拱通過邊墩和中墩的錨固構(gòu)造與主梁相連，并通過吊桿參與主梁共同受力。

圖2 總體立面布置圖（單位：m）

圖3 總體平面布置圖（單位：m）

主梁采用4跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙主梁結(jié)構(gòu)，梁上吊點(diǎn)位于非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間。主梁通過腹板及頂板內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力將拱腳的縱向水平推力平衡，通過橫梁及其預(yù)應(yīng)力將拱的橫向水平推力平衡，通過自身抗彎作用完成大部分自重的承擔(dān)，通過橫隔板將其余自重和橋面活載傳遞至吊桿。

主橋上部結(jié)構(gòu)與橋墩之間采用支座支撐，中墩設(shè)置3個(gè)支座，邊墩及過渡墩均設(shè)置4個(gè)支座。中墩采用1座墻式墩基礎(chǔ)，邊墩及過渡墩均設(shè)置2座分離式墻式墩。基礎(chǔ)采用直徑1.8 m和1.2 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。

在主橋中墩上下游分別設(shè)置了獨(dú)立的防止船舶撞擊的墩柱結(jié)構(gòu)。

4 主拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]

4.1 主拱總體

主拱由邊拱腳混凝土拱座、邊拱腳鋼帽段、鋼拱單箱單室段、鋼拱單箱3室段（拱肋合并節(jié)點(diǎn)、拱拱交叉節(jié)點(diǎn)）、內(nèi)腹板數(shù)量（箱室數(shù)量）漸變段、鋼拱單箱雙室段、立拱拱腳段、橫撐、外包裝飾鋼板等部分組成。

鋼拱總體立面與平面布置圖見圖4。

圖4 鋼拱總體立面與平面布置圖（單位：mm）

主橋主拱采用空間布置，平面拱軸線為X形對(duì)稱直線，立面拱軸線為2條對(duì)稱交匯的橢圓線。拱腳位置拱軸線橫向距離32.5m，拱頂橫向距離3 m。拱軸線頂點(diǎn)順橋向距離中墩中心9 m，距離橋面高32 m。橫向2片拱肋在拱頂點(diǎn)合并為1個(gè)完整的斷面，這樣可以保證3條接口邊線水平且不出現(xiàn)折角。合并后腹板數(shù)保持4道不變，向下在中墩正上方形成X形拱拱交叉節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)下方立拱位置，隨著受力的減小，箱室內(nèi)腹逐漸減少，在橋面之上合并形成立拱拱腳段，并通過鋼錨固架錨固在箱梁中墩橫梁位置。

4.2 混凝土邊拱腳與鋼帽段

混凝土邊拱腳立面圖見圖5，鋼帽立面圖見圖6。

圖5 混凝土邊拱腳立面圖（單位：mm）

圖6 鋼帽立面圖（單位：mm）

混凝土邊拱腳位于P3/P5上方的主梁頂面，采用C60混凝土，順橋向距離長(zhǎng)10 m，鋼拱通過其與箱梁連接。鋼混結(jié)合段位置拱座截面高3.7 m，寬2～2.5 m，為五邊形斷面，與鋼拱截面一致。為保證拱座不開裂，在拱座內(nèi)設(shè)置了沿拱軸線方向的預(yù)應(yīng)力，用以抵消鋼拱局部彎矩造成的拉應(yīng)力。

鋼帽是鋼拱與混凝土拱座之間內(nèi)力傳遞的鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)。頂板和腹板厚度均為30 mm，底板厚36 mm,承壓板厚40 mm。鋼帽長(zhǎng)4 m，錨入混凝土拱座內(nèi)2 m。傳力構(gòu)造包括剪力釘、開孔板連接件、承壓板、預(yù)應(yīng)力錨固鋼束等構(gòu)造措施。預(yù)應(yīng)力錨固鋼束采用15-?s15.2和12-?s15.2兩種型號(hào)，在梁端錨固，經(jīng)混凝土拱座伸入鋼帽中，在鋼帽上承壓板端張拉錨固。承壓板分為上承壓板和下承壓板2種結(jié)構(gòu)。上承壓板主要承受預(yù)應(yīng)力錨杯的局部壓力，并將其通過加勁向側(cè)壁板傳遞，上承壓板厚30 mm。下承壓板是將鋼拱壓力傳遞給混凝土端面的主要構(gòu)造，下承壓板厚40 mm。開孔板連接件位于錨入混凝土拱座段的四壁上，采用內(nèi)穿鋼筋的開孔板構(gòu)造，其板厚25 mm，高200 mm，孔洞直徑60 mm,孔距115 mm。剪力釘型號(hào)為 ?25×180 mm，剪力釘布置在下承壓板底面及錨入混凝土拱座段的側(cè)壁上，縱向間距180 mm。

4.3 鋼拱單箱單室段

從鋼帽至拱頂，鋼拱肋為單箱單室矩形結(jié)構(gòu)，頂板寬1.5 m，高3.7～2.2 m。頂?shù)装搴穸确謩e為25 mm和30 mm，腹板厚25 mm。隔板間距2 m，厚16 mm。吊桿錨板采用局部半高隔板形式，厚20mm和30mm，與隔板錯(cuò)開。斷面外設(shè)置薄鋼板，裝飾為五邊形。

4.4 鋼拱單箱三室段

4.4.1 拱肋合并節(jié)點(diǎn)

在拱頂點(diǎn)位置，2條鋼拱與單箱3室拱肋合并節(jié)點(diǎn)的2個(gè)外邊箱對(duì)接，單箱單室鋼拱腹板豎直、頂?shù)装逅剑c單箱3室斷面順利對(duì)接。

拱肋合并節(jié)點(diǎn)平面圖見圖7。

圖7 拱肋合并節(jié)點(diǎn)平面圖（單位：mm）

該節(jié)點(diǎn)頂板變寬，寬段為4.8～3.1 m，腹板高2.2 m，頂?shù)装搴?6 mm，腹板厚30 mm。外腹板通過半徑20 m的圓弧過渡，內(nèi)腹板通過加密的隔板轉(zhuǎn)向過渡。

4.4.2 拱拱交叉節(jié)點(diǎn)

拱拱交叉節(jié)點(diǎn)是本橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。拱拱交叉節(jié)點(diǎn)三維剖面圖見圖8。

拱拱交叉節(jié)點(diǎn)頂?shù)装搴?6mm，腹板厚30mm。2跨鋼拱在此位置交叉，占大部分共軸力的水平力互相抵消，占少部分的豎向力合并后向下傳遞。每條鋼拱均具有3箱3室，交叉后形成3個(gè)獨(dú)立箱室，且頂?shù)装寮觿爬咭泊嬖诮徊娆F(xiàn)象。

圖8 拱拱交叉節(jié)點(diǎn)三維剖面圖

為避免2跨鋼拱相交所形成的銳角出現(xiàn)疲勞破壞，同時(shí)也為加強(qiáng)2跨鋼拱之間的聯(lián)系，在交叉位置以外，將2跨鋼拱的隔板通過1道貫通的折線隔板相固結(jié)。

在焊接方案上，考慮頂?shù)装宀捎媒诲e(cuò)焊接的方案，中間箱留人孔進(jìn)入交叉位置，再在內(nèi)腹板上開人孔進(jìn)入兩側(cè)邊箱。

4.5 立拱拱腳段

立拱拱腳段構(gòu)造圖見圖9。

圖9 立拱拱腳段構(gòu)造圖（單位：mm）

中墩位置立拱拱腳是2條拱軸線相交并且固結(jié)于梁頂?shù)墓?jié)點(diǎn)。

該節(jié)點(diǎn)側(cè)腹板和外頂板直接通過加勁錨固在承壓板上，內(nèi)頂板及加勁肋通過隔板轉(zhuǎn)向、加強(qiáng)后，同樣錨固在承壓板上[3]。該位置拱的頂?shù)装寮案拱搴穸染鶠?5 mm，承壓板厚40 mm。

拱腳與梁采用反力架錨固，通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行錨固連接。反力架橫橋向長(zhǎng)4.4 m，寬2.3 m，埋入梁中深3.4 m，設(shè)置上下2層承壓板和20根直徑90 mm的高強(qiáng)螺栓，并設(shè)置局部承壓加強(qiáng)鋼筋。

5 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 主梁總體

主梁為變高度預(yù)應(yīng)力混凝土雙箱6室雙主梁，內(nèi)設(shè)多道橫隔板，用以承擔(dān)吊桿力以及分擔(dān)拱的空間推力。邊跨寬39 m，中跨寬44 m，拱腳局部寬50.5 m，半幅底板寬14.5 m。為保證腹板在一直線上，由帶肋外挑臂完成截面變寬，外挑臂寬2.5 m到5 m。結(jié)構(gòu)邊支點(diǎn)和跨中梁高2.5 m，中支高4.5 m，梁底為2次拋物線。邊支點(diǎn)橫梁厚2 m，中支點(diǎn)橫梁厚4 m，一般位置隔板厚300 mm，吊桿錨固邊箱隔板厚500 mm，邊拱腳前后隔板加厚至800 mm。箱梁頂板厚250mm，跨中底板厚250mm，支點(diǎn)底板厚800mm。

邊支點(diǎn)及中跨斷面見圖10。

圖10 邊支點(diǎn)及中跨斷面（單位：mm）

考慮拱肋推力在不同腹板之間分布不均勻，增加外邊腹板厚度以放置更多的預(yù)應(yīng)力鋼束。跨中外邊腹板厚650 mm，支點(diǎn)外邊腹板厚1 250 mm，內(nèi)布置3排15-?s15.2預(yù)應(yīng)力束，其余跨中腹板厚500 mm，支點(diǎn)腹板厚850 mm，內(nèi)布置2排15-?s15.2預(yù)應(yīng)力束。

在中墩位置，為減小腹板束過長(zhǎng)的應(yīng)力損失，將腹板束通過中支點(diǎn)后，交叉錨固于腹板底部，此位置腹板相應(yīng)加厚。

5.2 主梁吊桿錨固構(gòu)造

在橫隔板和邊腹板的交點(diǎn)，吊桿穿過箱梁后錨固于底板，通過局部加厚形成錨固體。將吊桿軸線前后左右平移0.7 m作為錨固體的邊線，并與腹板和隔板連結(jié)。錨固體與隔板之間設(shè)置倒角過渡。

主梁吊桿錨固體見圖11。

5.3 拱推力傳遞的措施

為錨固邊拱腳和傳遞拱腳縱橫向水平力，采取措施：（1）局部擴(kuò)大箱梁腹板形成實(shí)體段；（2）設(shè)置4 m寬邊橫梁，并在橫梁前后設(shè)置2道厚0.8 m的隔板；（3）將隔板之間分離式雙箱的底板連通，使P3/P5邊墩橫梁的前后隔板之間形成橫向箱型構(gòu)件，提高橫向剛度，使拱的推力在各腹板之間更加均勻地分配；（4）局部增加頂?shù)装搴穸龋唬?）邊腹板相對(duì)于中腹板加厚，配置更多預(yù)應(yīng)力腹板束；（6）在拱腳之間縱橋向?qū)敯迨?/p>

圖11 主梁吊桿錨固體

拱推力傳遞的措施示意圖見圖12。

圖12 拱推力傳遞的措施示意圖

6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋下部結(jié)構(gòu)由P2/P6過渡墩、P3/P5邊墩和P4中墩組成。

P4中墩橫向×縱向?yàn)?4m×2.8m（根部）、29m×2.8 m（頂部），支座間距10.5 m。基礎(chǔ)采用19根?1.8 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度4 m。

P3/P5邊墩橫向布置各2座，為鋼筋混凝土墻式墩，橫向×縱向?yàn)?0.5 m×2.8 m（根部）、13.4 m×2.8 m（頂部），支座間距7 m。每座邊墩采用13根?1.8 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度4 m。

P2/P6過渡墩橫向布置各2座，為鋼筋混凝土墻式墩，橫向×縱向?yàn)?.6 m×2.3 m（根部）、9 m×2.3 m（頂部），支座間距5.5 m。每座過渡墩采用6根?1.2 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度2 m。

7 主橋計(jì)算

主橋計(jì)算采用Midas/Civil有限元程序進(jìn)行了單梁和全橋梁格模型的模擬，鋼結(jié)構(gòu)局部節(jié)點(diǎn)和箱梁采用FEA建立板殼和實(shí)體模型進(jìn)行驗(yàn)證。施工階段按擬定方案，荷載按規(guī)范加載。

拱肋使用階段應(yīng)力（主力組合最小、附加組合最小）見圖13、圖14。

圖13 拱肋使用階段應(yīng)力（主力組合最小）（單位：MPa）

圖14 拱肋使用階段應(yīng)力（附加組合最小）（單位：MPa）

正常使用階段，主力組合（恒載+汽車+人群+支座沉降+收縮2次力+徐變2次力）下，最大壓應(yīng)力為150 MPa。附加組合（恒載+汽車+人群+支座沉降+溫度+風(fēng)荷載+其他）下，最大壓應(yīng)力為191 MPa，位于拱肋交叉匯合點(diǎn)處，滿足承載能力要求。

主梁標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力（上緣）、主梁短期組合應(yīng)力（下緣）見圖 15、圖 16。

圖15 主梁標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力（上緣）（單位：MPa）

圖16 主梁短期組合應(yīng)力（下緣）（單位：MPa）

主梁短期組合下，全梁上下緣受壓，中支點(diǎn)上緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備為1.1 MPa，跨中下緣壓應(yīng)力為2.5 MPa。標(biāo)準(zhǔn)組合下，主梁最大壓應(yīng)力為14.0 MPa，最大位置為跨中上緣，滿足抗裂性要求。

8 主橋施工

主橋施工包含了深水基礎(chǔ)施工、少支架主梁現(xiàn)澆、鋼拱工廠預(yù)制、鋼拱吊裝與焊接、成橋落架等重難點(diǎn)步驟。

深水基礎(chǔ)施工：根據(jù)防洪要求，P4承臺(tái)須位于河床之下，橋位處水深9 m，承臺(tái)厚度4 m，封底混凝土厚2.6 m，采用鋼板樁圍堰+3道內(nèi)支撐的方案進(jìn)行深水基礎(chǔ)施工。

主梁施工：澆筑主梁的支架下部為少支架鋼管樁，上部為蓓蕾桁架鋼平臺(tái)+滿堂支架。由于主橋長(zhǎng)度達(dá)264 m，采用分塊分段的澆筑方案，縱橋向分為過渡墩邊跨段、邊墩段、中跨跨中段、中墩段等7個(gè)節(jié)段，節(jié)段之間設(shè)置濕接縫（后未采用）；橫橋向分左右幅對(duì)稱澆筑。

鋼拱工廠預(yù)制：工廠預(yù)制采用分段加工、現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段焊接的方案，滿足運(yùn)輸尺寸與吊裝重量需要。鋼拱主構(gòu)件共分14個(gè)節(jié)段，分段盡量避開受力最不利位置。最大運(yùn)輸長(zhǎng)度12.5 m，最大節(jié)段重50 t。

鋼拱吊裝與焊接：施工采用鋼管少支架支撐，履帶吊吊裝就位的方案，由拱腳向拱頂逐步焊接拼裝，合龍段設(shè)置于拱頂附近。鋼拱支架及吊裝在橋面上完成，在進(jìn)行鋼拱施工前，加強(qiáng)了箱梁支架系統(tǒng)和橋面板的鋼筋配置，吊裝中采取了嚴(yán)密的施工監(jiān)控措施。

成橋落架：鋼拱合龍后，拆除橋面鋼拱支架，混凝土主梁落架，張拉吊桿，完成體系轉(zhuǎn)換。

成橋?qū)嵕罢掌妶D17。

圖17 成橋?qū)嵕罢掌?/p>

9 結(jié)語(yǔ)

（1）漯河市牡丹江路沙河大橋是典型的市政景觀橋梁，設(shè)計(jì)中充分考慮了建筑美學(xué)因素。

（2）大橋自2013年開始設(shè)計(jì)，2016年初開始施工，得到了多位業(yè)主和各方領(lǐng)導(dǎo)的支持，克服了多項(xiàng)設(shè)計(jì)施工難題。目前，牡丹江大橋已經(jīng)順利通車，運(yùn)行得到了各方好評(píng)，成為了當(dāng)?shù)匦∮忻麣獾摹熬W(wǎng)紅橋”。