城市新型景觀拱橋設計研究

廖 鑫 夏 楓

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

拱橋因線形流暢輕盈、跨越能力大、景觀裝飾效果好、施工工藝成熟等特點，被廣泛運用在城市景觀橋梁的建設中[1]。近年來，橋梁設計人員對下承式拱橋進行了系統的研究[2-3]，獲得了拱橋各關鍵部位的受力特征，并在此基礎上提出了眾多新穎的設計方案，推動了拱橋的發展。何賓旺等[4]以深圳某景觀拱橋為工程依托，采用有限元數值模擬，在引入材料非線性和幾何非線性的基礎上，開展了多種運營工況下的拱橋承載能力計算，研究了不同荷載下拱腳的應力變化特征，計算結果表明，拱橋的拱腳在達到正常使用荷載4.71倍的極限荷載時，將出現屈曲破壞，破壞形式為塑性破壞。李繼軍[5]以一座跨徑為135 m的下承式拱橋為研究背景，采用有限元軟件midas對拱橋的拱肋、吊桿、橋面梁等方面進行了分析，論述了下承式拱橋的設計關鍵點，并給出了此類拱橋的設計參考建議。曹春明等[6]根據組合梁系桿拱橋的特點并結合橋位處行車荷載大的特點，提出一種新型橫梁的設計方法對組合梁系桿拱橋進行了改進，并通過在橋面系中設置合理的預應力平衡系桿拱橋的巨大推力，改進后的橋型受力性能良好，實用性強。

目前現有的下承式景觀拱橋的主要組成部分包括：供車輛通行的主梁，主梁上方的承重拱肋，拱肋與主梁之間的吊桿、主梁之間起橫向聯系作用的橫梁、拱腳部位的拱座，以及拱座下方的基礎。主梁上方的承重拱肋為拱橋的關鍵受力構件，不僅需承受自身及主梁的自重，還需承受主梁上的汽車活載、溫度荷載、風荷載及拱座基礎沉降荷載等多種荷載，因此在最不利荷載作用下，拱肋的應力較大，導致拱肋的鋼板厚度較大，并且拱腳處需設置復雜的錨固系統來平衡巨大的內力[7-8]。由此導致了拱腳處的施工工序較為復雜，并且整個拱橋的工程造價較高。

拱肋與主梁之間的吊桿除了受到主梁的自重及其他活載外，在整個橋梁運營階段還會受到振動荷載和沖擊荷載，在長期周期性的振動和沖擊荷載作用下，吊桿的安全系數降低，抗疲勞破壞能力大幅度減弱[9-10]。

針對以上的拱橋現狀和受力特點，本設計提出一種新型景觀拱橋，不僅能夠保證拱肋的拱腳和吊桿均處于較低的應力水平，使拱腳構造尺寸優化，施工更簡單，并且造型更加優美，同時避免了拱橋吊桿的疲勞病害，具有一定的工程實用價值。

1 工程概況

某城市景觀橋，跨越公園內的湖泊，道路等級為城市主干道，總跨徑為360 m，雙向通行六車道，橋面總寬度50.0 m，寬度功能分區劃分為：7 m人行道(含景觀裝飾區)+5 m非機動車道+26 m機動車道(含綠化帶)+5 m非機動車道+7 m人行道(含景觀裝飾區)，設計荷載為城-A級。

橋梁位于城市公園內并且跨越湖泊，對景觀裝飾要求較高，為了讓橋型充分融入到周圍湖景中，達到橋梁造型新穎，線條優美，不同視角景觀效果流線型感強的目的，提出一種新型裝飾景觀拱橋，在取得最大景觀裝飾效果的同時，優化降低拱肋和吊桿應力水平，使橋梁的拱肋和橋面體系受力更合理，避免橋梁運營過程中的拱肋和吊桿病害，并且簡化施工工藝，降低工程造價。該景觀拱橋效果圖見圖1。

圖1 新型景觀拱橋效果圖

2 新型景觀拱橋方案設計

2.1 總體設計

為了降低拱橋吊桿成橋后所受到的拉應力，并將拱肋截面尺寸及厚度優化得更為輕薄，主橋的單孔跨徑布置為40 m，3孔為1聯，全橋共3聯，各聯之間設置伸縮縫。橋梁全長360 m，橋梁采用雙幅橋進行設計，每幅橋寬24.99 m，雙幅橋之間的橫向間隙為0.02 m，總寬50 m。主橋的橋面主梁采用現澆斜腹板預應力混凝土箱梁，箱梁為單箱4室斜腹板箱型截面，下部結構采用花瓶墩，主梁上方采用拱肋和吊桿進行景觀裝飾，拱肋采用鋼箱梁結構，以反對稱的形式左右交替跨越主梁橋面系，每片拱肋中心線與混凝土箱梁的中心線斜交，水平斜交角度為31°，單片拱肋的跨徑長130 m，雙幅主梁上方共設置3片拱肋，3片拱肋共設置2個雙拱肋拱座和2個單拱肋拱座。拱肋與主梁連接立體設計圖見圖2。

圖2 拱肋與主梁連接立體設計圖

變截面鋼箱拱肋以反對稱的形式左右交替跨越主梁橋面系，由此導致吊桿與主梁豎向交角不等于90°，因此為了控制吊桿在人行道處的凈空，橋梁總寬度保持50 m不變，將7 m全寬的人行道劃分為兩部分，即內側人行道寬度3 m+外側拱肋吊桿錨固區寬度4 m，并對吊桿錨固區進行景觀綠化處理，設置綠化帶及景觀花壇，景觀花壇寬度為4 m，沿橋長方向全線連續布置，單個花壇的縱向長度區間為15～20 m，景觀花壇中種植不同顏色的花草植物，吊桿錨固區景觀布置示意圖見圖3。

圖3 吊桿錨固區景觀布置示意圖

2.2 拱肋系統構造設計

變截面拱肋系統線、頂板、底板線形按懸鏈線進行設計，對于拱肋軸線：矢跨L=130 m，矢高f=32.5 m。

拱肋采用高度和寬度均變化的變截面箱形結構，拱頂截面尺寸高度為1.5 m、寬度為3.0 m，拱腳截面尺寸高度為2.5 m、寬度為5.0 m，拱肋鋼結構腹板的厚度采用12，14 mm 2種，腹板沿縱向布置4道加勁肋，拱肋頂、底板厚度采用10，12，14 mm 3種，頂底板沿縱向布置9道加勁肋，鋼箱拱肋橫截面布置圖見圖4。

圖4 拱肋典型橫截面布置圖(單位：mm)

全橋3孔拱肋共設置52根吊桿，第1孔拱肋設置16根，第2孔拱肋設置18根，第3孔拱肋設置18根，跨中相鄰吊桿之間距離設置為1 m，其他吊桿間距設置為5 m。吊桿均采用Φ5mm-55低松弛預應力鍍鋅鋼絲，其抗拉標準強度為1 570 MPa，松弛值1 000 h應力損失<7.5%，外觀直徑55 mm。每根吊桿兩端設置吊桿錨頭，橋面處錨頭為張拉端，拱肋處錨頭為固定端，單端張拉。單孔吊桿與拱肋、主梁的連接立面圖見圖5。

圖5 單孔吊桿與拱肋、主梁的連接立面圖(單位：mm)

吊桿拱上錨固與主梁上錨固均采用錨拉板形式，拱肋內錨拉板對應位置設置吊點隔板。主梁上錨固的錨拉板預埋在主梁的吊桿錨塊中，吊桿錨塊為鋼筋混凝土結構，與主梁一同現澆，吊桿錨塊的設置數量及設置位置見圖2，吊桿在施工張拉索力時，根據吊桿的傾斜角度令索力的豎直分力張拉等于主梁上吊桿錨塊的自重力。張拉力合理設置后，拱肋僅承受很小部分箱梁上的荷載，拱肋在相同的跨度下截面尺寸和厚度可以得到優化，拱肋板厚可明顯降低，減輕自重。并且運營階段吊桿的應力低，吊桿耐久性幅度提高，吊桿抗疲勞破壞性能提升。拱肋在運營階段基本不承受混凝土主梁的恒載和活載，降低了拱腳截面處的彎矩和應力水平，拱腳處無需張拉軸向預應力，僅需用鋼結構承壓板加鋼結構剪力鍵與拱座相連，在簡化了拱腳構造和施工工藝的基礎上，保證拱腳受力的合理性，拱腳構造圖見圖6。

圖6 拱腳構造圖(尺寸單位：mm)

拱腳處將PBL剪力鍵設置在開孔板上，同時在墊板上焊接錨固鋼筋。拱腳的腹板設有PBL剪力鍵鋼筋，頂板、底板內外加勁肋處設有PBL剪力鍵鋼筋，開孔直徑為60 mm，穿過鋼筋為直徑20 mm的HRB400鋼筋。拱腳焊于支撐墊板，墊板厚度30 mm，墊板中間開孔4 200 mm×2 846 mm，墊板底面環向焊接有直徑20 mm的HRB400錨筋。對應拱腳腹板位置，墊板底面焊接T肋，T肋高500 mm，其腹板、翼板厚度為16 mm，T肋腹板設有PBL剪力鍵鋼筋，開孔直徑為60 mm，穿過鋼筋為直徑20 mm的HRB400鋼筋。

2.3 主梁及橋墩構造設計

單幅現澆預應力混凝土主梁采用單箱四室斜腹板箱型截面，箱梁高2.2 m，單幅頂板寬為24.99 m、底板寬18.50 m，兩側翼緣懸臂長度為2.75 m，懸臂端部厚0.22 m，根部厚0.65 m，不設橫向預應力，箱梁跨中頂底板厚度為0.25 m，腹板厚度為0.5 m，縱向預應力體系為直徑15.2 mm的鋼絞線并預埋金屬波紋管，主梁一般構造圖見圖7。

圖7 主梁一般構造圖(單位：cm)

主梁下方的承重橋墩采用花瓶墩，花瓶墩下方接承臺，承臺下方設置鉆孔灌注樁基礎。單個橋墩縱橋向長度為2.2 m，橫橋向頂部寬度為7.6 m、底部寬度為4.6 m，每個橋墩橫向中心線處設置2個花瓶墩。承臺為鋼筋混凝土結構，高度為2.5 m，縱橋向長度為3.5 m，全橋樁基按摩擦樁進行設計，橋墩一般構造圖見圖8。

圖8 橋墩一般構造圖(單位：cm)

2.4 施工

本橋型中由于吊桿張拉力的合理設置，能使拱肋截面能夠得到優化，進而降低了拱腳截面處的彎矩和應力水平。拱腳處無需張拉軸向預應力，僅需用鋼結構承壓板加鋼結構剪力鍵與拱座相連，在簡化了拱腳構造和施工工藝的基礎上，能保證拱腳受力的合理性，并且運營階段吊桿的應力低，吊桿耐久性幅度提高。施工時首先澆筑混凝土主橋的基礎、橋臺、橋墩、主梁。其次對鋼結構裝飾拱肋的各構件進行加工，澆筑各拱腳處的基礎及拱座混凝土，之后搭設拱肋拼裝支架，從拱腳向拱頂依次采用汽車吊裝拼接主拱節段，安裝主拱臨時側傾定位吊桿系統，從跨中向兩側拱腳對稱拆除拱肋拼裝支架，從跨中至支點安裝并張拉吊桿，張拉吊桿時，吊桿張拉力的豎向分力設置為與吊桿錨塊的重力相等。最后對全橋鋼結構裝飾拱部分進行整體涂裝，并施工橋面附屬設施。由于拱肋應力水平較低，拱肋鋼箱的鋼板厚度較小，可大幅度降低鋼材用量，節省工程造價，整個橋梁施工完成后可作為城市標志性建筑物。

3 結構計算

3.1 靜力分析

由于篇幅限制，僅給出鋼拱肋的結構計算分析過程，采用midas Civil 2020建立空間梁單元模型，根據無鉸拱體系開展結構分析，單片拱肋共80個節點，79個梁單元。計算荷載為：拱肋自重、吊桿力(100 kN)、風荷載(百年一遇)、整體升溫25 ℃、整體降溫25 ℃、梯度溫度、基礎沉降3 cm。

1) 恒載。恒載包括變截面鋼箱拱肋及其焊縫的總重。

2) 溫度荷載。整體升溫25 ℃；整體降溫25 ℃。

3) 風荷載。根據JTG D60-2015 《公路橋涵設計通用規范》規定，橋梁運營期橋位處風速為23.9 m/s(百年一遇)，換算為橫向靜陣風荷載為3.18 kN/m。

4) 吊桿力。拱肋由于受到吊桿的拉力，各吊桿的拉力位置不在同一平面上，會對拱肋受力和穩定性產生影響，拱肋計算模型中吊桿拉力取100 kN，按照吊桿的空間方向分解為豎向力和垂直于拱肋平面的水平力進行相應的分析。

根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》的規定，采用以下4種最不利荷載組合進行計算分析：

1) 1.1×恒載+1.2×吊桿力+1.4×升溫+1.1×靜風荷載+1.0×沉降。

2) 1.1×恒載+1.2×吊桿力+1.4×降溫+1.1×靜風荷載+1.0×沉降。

3) 1.0×恒載+1.0×吊桿力+0.8×升溫+0.75×靜風荷載+1.0×沉降。

4) 1.0×恒載+1.0×吊桿力+0.8×降溫+0.75×靜風荷載+1.0×沉降。

荷載作用下結構變形表見表1。

表1 結構變形表 mm

計算結果表明：

1) 吊桿力作用下主拱最大豎向撓度為

fmax=0.015 m

2) 百年橫風作用下，主梁最大橫向撓度僅0.06 m，滿足規范要求。

根據JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》，鋼結構強度驗算按極限狀態法，取拱肋重要系數γ0=1，鋼材強度設計值為275 MPa，Rd/γ0=250 MPa，拱肋各荷載組合強度驗算匯總表見表2。

表2 拱肋各荷載組合強度驗算匯總表 MPa

計算結果表明，各種組合下拱肋強度驗算均滿足規范要求。

正常使用極限狀態下拱肋應力圖見圖9。

圖9 正常使用極限狀態下拱肋應力圖(單位：MPa)

3.2 動力及地震分析

動力分析中，坐標系的定義原則為：橋梁長度方向為x軸，橋梁橫向為y軸，豎直方向為z軸。全橋共提取40階模態，拱肋動力自由振動性狀表見表3。

表3 拱肋動力自由振動性狀表

根據國家質量技術監督局發布的GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，項目區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為VI度。

地震荷載方向組合采用CQC法，荷載組合為x+y(考慮2個方向)。x、y向按規范分別采用不同的加速度反應譜計算，主拱正常使用極限狀態下拱肋應力圖見圖10。

圖10 正常使用極限狀態下拱肋應力圖(單位：MPa)

計算表明：主拱E1組合下最大組合應力為15.46 MPa，且無拉應力，滿足規范要求。

上述結果表明，鋼結構拱肋的靜力、動力、抗震等各項力學性能均滿足相關規范要求。

4 結語

本橋型方案中拱肋在相同的跨度下截面尺寸和厚度可以得到優化，拱肋板厚可明顯降低，減輕自重。并且運營階段吊桿的應力低，吊桿耐久性幅度提高，吊桿抗疲勞破壞性能提升。拱腳處無需張拉軸向預應力，僅需用鋼結構承壓板加鋼結構剪力鍵與拱座相連，在簡化了拱腳構造和施工工藝的基礎上，保證拱腳受力的合理性。

有限元計算結果表明新型景觀拱橋設計方案拱肋的靜力、動力、抗震等各項力學性能均滿足相關規范要求。