大跨異型拱梁組合體系景觀橋設計

■魏錫喬 俞方喆

（1.紹興市上虞區建設工程質量安全監督站，紹興 312300；2.同濟大學建筑設計研究院（集團） 有限公司，上海 200092）

根據紹興市上虞區最新城市總體規劃，在三環與四環之間的曹娥江上建設一座連接兩岸新城密集人流的人行橋梁。 由于跨越曹娥江一江兩岸風景帶主軸，曹娥江人行橋除滿足基本行人和非機動車通勤外，還兼具城市景觀和濱江風景帶的功能定位，以保證設計方案和一江兩岸風景帶的有效銜接。

為打造符合上虞區地域和人文特色的橋梁景觀，實現文化、歷史和美學價值的建設目標，橋梁概念設計以上虞的孝德文化為主旨，通過兩條相向而行的人行系統在河岸邊相互交叉落地，兩條交織的人行道宛如兩只手緊緊握在一起，整體橋型又如初生的嬰兒依偎在母親的懷抱中，其景觀效果圖如圖1～2 所示，該人行景觀橋梁造型優美、具有標志性。 綜合考慮與曹娥江兩岸的風景帶的有效銜接，江面通航要求和行洪評估要求，景觀橋主橋采用主跨145 m 鋼結構異型拱梁組合體系方案，西主橋總體立面布置圖如圖3 所示。

圖1 橋梁鳥瞰效果圖

圖2 西主橋效果圖

圖3 西主橋總體布置圖

1 總體設計

曹娥江城市人行景觀橋跨越曹娥江、連接濱江堤頂路，是一條區域性、便捷性、舒適性的休閑型慢行通道，與兩岸的濱江景觀道路形成一個完整的慢行系統。 橋梁起點為興業路附近西岸大堤堤頂道路，終點為江廣路東岸大堤堤頂道路。 主線橋梁總長579.095 m，橋梁起點樁號為K0＋004.080，終點樁號為K0＋583.175；主線標準寬度9 m，匝道標準寬度4.5 m。 西主橋W1 聯采用異型拱梁組合橋，其跨徑布置為（40＋76.5＋145＋75）m=336.5 m。 橋梁的設計標準如下：（1）設計荷載：非機動車荷載、人群荷載按CJJ69-95 《城市人行天橋與人行地道技術規范》[1]第3.1.3 條取用；（2）橋梁設計使用年限：100 年；（3）橋梁設計基準期：100 年；（4）橋梁結構設計安全等級：一級，γ0=1.1；（5）斷面標準寬度：主線標準寬度0.25 m 欄桿＋8.5 m 人行道＋0.25 m 欄桿=9 m；主線分幅標準寬度0.25 m 欄桿＋4.5 m 人行道＋0.25 m 欄桿=5 m；（6）通航標準：按內河III 級航道考慮，通航凈寬123 m，凈高7.0 m；最高通航水位6.33 m，最低通航水位3.33 m；（7）防洪標準：百年一遇洪水位9.0 m（規劃），9.7 m（現狀）；（8）抗震設防標準：橋址處的地震動峰值加速度為0.05 g（基本烈度6 度）；根據CJJ 166-2011《城市橋梁抗震設計規范》[2]，主橋抗震設防分類為丁類城市橋梁，可按C 類方法進行相關構造和抗震措施的設計；（9）環境類別：環境類別為I 類-一般環境執行。

2 結構設計

2.1 上部結構設計

曹娥江人行景觀橋主橋采用鋼結構異型拱梁組合體系，主拱采用偏態三角形布置，主橋造型新穎、美觀。 橋梁總體跨徑布置為40＋76.5＋145＋75=336.5 m，主梁采用雙箱截面，拱肋采用矩形截面。主橋標準斷面寬度為9.0 m， 中間主跨存在拱肋和吊桿區，橋梁橫斷面寬度為13.0～13.5 m，橫斷面布置為0.25 m 欄桿＋4.5 m 人行道＋0.25 m 欄桿＋3.0～3.5 m 拱肋及吊桿區＋0.25 m 欄桿＋4.5 m 人行道＋0.25 m 欄桿，橫斷面布置圖如圖4 所示。

圖4 西主橋吊桿區域橫斷面布置圖

主橋頂板寬9～13.5 m，懸臂長度1.8～2.5 m，雙箱之間距離1.4～3.5 m，主梁梁高為2～5.3 m。 P1、P2、P5 墩支座間距為3.8 m，P3、P4 墩支座間距為5.6 m。 主梁為直腹板，P1～P2 墩梁高為2 m，P2～P3墩間部分按拋物線變高至4.8 m，P3～P4 墩之間按拋物線變高至跨中3 m，P4～P5 墩梁高從4.8 m 變至2 m 等高。 梁高為頂板頂緣到底板底緣，不同板厚的頂底板采用箱梁外對齊。 拱肋采用等寬變高箱型截面，拱肋截面寬2 m，拱肋截面高度為2.2～5.7 m，拱肋板厚為20～32 mm，拱肋翼緣及腹板厚度為20 mm時采用16 mm×l90 mm 尺寸加勁，20 mm 以上采用20 mm×240 mm 尺寸加勁。 橋梁共設置13 組吊桿，鋼拉桿鋼材等級為GLG650，主橋采用的直徑80 mm的吊桿破斷力為320 t。 鋼梁橫斷面頂底板與橋梁橫坡平行，成橋階段的鋼梁頂板和底板縱斷線形為橋梁縱斷線型加1/2 活載預拱度，主梁制作線形應考慮縱斷線形、預拱度和焊接變形等的影響，預拱度應保持橋面曲線平順。 為確保在正常運營荷載下支座不出現負反力，主橋箱梁內施加混凝土壓重。支點附近3 道橫隔板底板封閉，在鋼箱內填充混凝土，并在填充區域周壁設置剪力鍵及過漿孔，保證填芯區砼與周壁鋼板密貼。

2.2 下部結構設計

曹娥江人行景觀橋西主橋下部結構橋墩采用混凝土結構，西主橋W1 聯P3、P4 主墩采用矩形斷面，外包鋼板以滿足景觀要求；其余橋墩采用上部擴大的實體式結構，斷面呈橢圓形，具體尺寸根據上部結構跨徑及構造確定。 橋墩具體類型如下：P1、P5 均為過渡墩；P3、P4 主墩基礎采用鉆孔灌注樁，每根橋墩下布設8 根φ1.8 m 樁基，采用厚度為25 mm 的鋼護筒，主墩設置臺座，承臺厚度為3.0 m；其中P4 為嵌巖樁，入巖深度約為2.5 倍樁徑，施工中應注意現場巖面高程。 P1 和P5 墩基礎采用鉆孔灌注樁， 每根橋墩下布設6 根φ1.5 m 樁基，樁頂承臺厚度2.5 m；其余基礎采用鉆孔灌注樁，每根橋墩下布設2/4 根φ1.0 m/φ1.2 m 樁基，樁頂承臺厚度1.5 m/2.0 m。A0 采用擴大基礎，不設樁基，基地承載力要求不小于120 kPa。 橋墩及橋臺、主墩臺座采用C40 混凝土，承臺采用C30 混凝土，墊層采用C20 混凝土，樁基采用C30 水下混凝土。

3 施工方案

曹娥江人行景觀橋拱梁組合結構橋跨采用少支墩按先梁后拱的順序進行施工，具體步驟如下：（1）四通一平，搭設施工便橋及施工平臺，主橋處預留通航孔，并設置便橋橋墩防撞設施；施工主橋橋墩鋼套箱， 其他橋墩鋼板樁圍堰及承臺基坑開挖；施工基礎及墩柱，工廠加工橋梁鋼結構；（2）架設主橋鋼管支架和通航孔鋼管支架，利用分節段架設鋼梁；（3）主橋鋼主梁合龍，拆除主橋主梁支架，落架，壓重段鐵礦砂澆筑；（4）在主梁完成落梁后（主梁鋼箱梁節段自重由梁體承擔），恢復主跨梁底支架（梁底支架與箱梁梁底密貼頂緊，但不承擔主橋箱梁節段自重），主拱支架及拱肋節段自重荷載由梁底支架承擔，使拱肋吊裝過程支架處主梁高程基本不變；（5）在鋼主梁橋面上搭設鋼拱支架，分階段拼裝鋼拱，合龍；（6）分步拆除梁底支架及鋼拱支架；（7）安裝并張拉鋼吊桿；（8）施工結構外包裝飾、橋面鋪裝、欄桿、橋梁景觀及照明等；（9）調整吊桿張力，成橋；（10）拆除便橋等臨時措施，恢復堤岸、修復調整景觀工程，竣工試驗后運營。

4 結構分析

4.1 主要計算參數

（1）一期恒載包括主拱、主梁和壓重混凝土，鋼材材料容重為78.5 kN/m3；（2）二期恒載：鋼橋面采用10 mm 橡膠鋪裝，和人行欄桿一共取6 kN/m，雙主梁模型每邊主梁各取一半3 kN/m；外包裝飾拱肋按9.8 kN/m，主梁按每側1.5 kN/m；（3）活荷載：人群荷載按《城市人行天橋與人行地道技術規范》[1]第3.1.3 條取用；（4）溫度荷載：鋼結構的整體升降溫中體系升溫36℃，體系降溫29℃；溫度梯度：鋼梁梯度溫度按照歐洲規范EN1991-1-1 相關規定取值；（5）基礎不均勻沉降：P1、P2、P5 墩支點20 mm，P3、P4 墩中支點40 mm；（6）風荷載：按《公路橋梁抗風設計規范》[3]取用，考慮橫向風荷載；采用慈溪地區百年重現期的風速為34.5 m/s，計算可得主梁橫向風荷載為5.7～12.1 kN/m，主拱橫向風荷載為8.5～17.0 kN/m。 根據《公路鋼結構橋梁設計規范》[4]的規定，在進行截面承載力計算時，作用的效應組合應采用現行業標準《公路橋涵設計通用規范》[5]的基本組合；當進行傾覆穩定計算時，作用的效應組合應采用基本組合（分項系數均為1.0）。

4.2 結構驗算分析

主橋結構計算模型采用Midas Civil 建立， 拱肋、橫梁、縱梁及腹桿采用梁單元進行模擬，吊桿采用只受拉桁架單元進行模擬，全橋共871 個單元。 模型邊界約束根據支座類型進行設置，鋼結構材料采用Q355，橋墩采用C40 混凝土。有限元模型如圖5 所示。

圖5 橋梁結構有限元模型

（1）主結構域靜力計算分析

對截面進行剪力滯效應和局部穩定折減，根據折減后的截面計算結構的實際應力給出各截面設計應力值。 本橋按照《公路橋涵設計通用規范》進行荷載組合，得到最不利基本組合主橋應力如圖6～8 所示。

圖6 基本組合主梁上緣應力

圖7 基本組合主梁下緣應力

圖8 基本組合主梁剪應力

主橋最大拉應力位于中跨跨中下翼緣，最大拉應力值為268 MPa；最大壓應力位于主跨L/4 截面附近上翼緣，同時考慮剪力滯及局部受壓折減系數0.921（頂板中部及懸臂平均折減值），壓應力為-209/0.921=-227 MPa，主跨跨中頂板跨中附近最大壓應力為-238 MPa，受壓折減系數0.976，最大壓應力為-238/0.976=-243 MPa，滿足規范要求；主梁剪應力為80MPa，最大剪應力出現在主墩支點附近，剪應力小于160MPa，滿足規范要求，如圖9～10 所示。

圖9 基本組合主拱上緣應力

圖10 基本組合主拱下緣應力

圖11 基本組合吊桿最大內力

主拱拱肋受軸向和豎向、側向彎曲，主拱拱肋（未考慮剪滯效應）控制截面為跨中附近，角點最大拉壓應力為最大壓應力-236 MPa，最大拉應力106 MPa。其中軸向應力為-63 MPa，側向彎曲應力為-78 MPa，豎向彎曲應力為-120 MPa。角點局部穩定折減后壓應力為-249 MPa。

（2）吊桿計算分析

主橋采用的直徑80 mm 的吊桿破斷力為320 t，基本組合最大吊桿力為76 t，安全系數為4.2，滿足規范要求。

吊桿發生破斷時（未考慮斷索沖擊），對該工況及吊桿正常工作工況主梁應力和吊桿力變化進行對比。 由圖12～13 的計算結果可以看出，吊桿發生破斷時，主梁最大應力未發生變化，斷裂區主梁應力受拉增加15 MPa；吊桿力增加約40 t。 引起主梁上下緣的應力變化未超過計算限值，吊桿安全系數大于2.5。

圖12 吊桿斷裂工況主梁應力圖

圖13 吊桿斷裂工況吊桿內力圖

（3）剛度驗算

采用人群荷載對橋梁的剛度進行驗算分析，計算結果如圖14 所示。

圖14 人群荷載下主橋變形圖

《公路鋼結構橋梁設計規范》第4.2.3 條規定活荷載引起的連續鋼板梁橋豎向撓度不應超過計算跨徑的1/500，最大正負活載豎向撓度（46＋83）＜145 000/500=290 mm，剛度滿足要求。

（4）抗傾覆驗算

根據總體受力計算，在支座考慮壓重情況下（圖15），P2 墩內側壓重80 t，P4 墩內側壓重140 t，P5 墩內側壓重65 t，標準組合支座最小反力出現在P5 號墩的內側支座，支座反力富余為32 kN。 在考慮特征狀態2，以內側支座為失效支座進行驗算，人群和常規風作用下， 最小穩定系數3.4， 滿足要求；人群和常規風、溫度荷載作用下，最小穩定系數2.99，滿足要求；在百年一遇風荷載作用下，最小穩定系數2.13，基本滿足要求。

圖15 支座編號示意圖

（5）穩定性分析

該橋采用偏態三角形異型拱結構，橋梁的穩定問題較突出。 計算穩定荷載采用恒載+活載+風荷載，經計算橋梁整體穩定失穩模態以自由段拱肋面外彎扭失穩為主，穩定系數為9.8，滿足規范要求，失穩模態如圖16 所示。

圖16 主橋一階失穩模態（拱肋面外失穩）

根據穩定系數推算整體穩定折減系數，根據主橋一階失穩模態下主拱的軸向應力為82.4 MPa，屈曲系數為9.8，根據佩利公式可計算得到整體穩定折減系數為0.83，考慮整體穩定折減系數拱肋組合應力為253 MPa，滿足規范要求。

5 結語

本文詳細介紹了曹娥江人行景觀橋主橋（40+76.5+145+75）m 四跨異型拱梁組合體系的設計與分析，得出以下結論：（1）以上虞的孝德文化為主旨的橋梁造型設計，結構優美，整體符合上虞區地域和人文特色；由于主跨橋梁跨度較大，而主梁剛度較小，在拱肋支架及拱肋節段荷載作用下，主梁結構將產生較大的變形。 施工方案中主梁完成落梁后，恢復主跨梁底支架，主拱支架及拱肋節段自重荷載由梁底支架承擔，使得拱肋吊裝過程支架處主梁無變形。 （2）通過對橋梁結構的靜力和穩定性進行有限元計算分析，表明橋梁結構的強度、剛度和穩定性均能滿足相應規范要求。