四新南路总港异型拱桥设计浅析

陈泉，陶华

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430023）

四新南路总港异型拱桥设计浅析

陈泉，陶华

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430023）

异型拱桥是一种较为新型的、特点鲜明的空间组合结构体系桥梁建筑结构，由普通拱桥演变发展而来，外形美观、造型新颖。四新南路跨总港桥采用一跨异型拱桥，计算跨径56 m，采用两榀反对称钢箱主拱圈，无风撑连接，主梁采用预应力混凝土结构。阐述该异型拱桥的结构设计与计算分析。

异型拱桥；桥梁美学；结构分析

0　引言

随着城市建设的迅猛发展，桥梁建筑已不单纯满足交通功能，而且作为一种空间艺术结构物存在于社会之中[1]。尤其建设在城市标志性内湖、内河、重点商圈或潜力地块，桥梁设计更需要采用富有特色的建筑造型来表达景观诉求，因而，桥梁设计师在考虑桥梁结构的安全性和经济要求的同时，还应注重桥梁美学价值的提高。桥梁既要满足强度、刚度、稳定性和经济性要求，又能满足人们的审美需要，将桥梁功能性、艺术性及其与环境相互协调等问题有机地统一起来，力争实现桥梁品质与桥梁美学价值的完美统一[4]。

1　工程概况

该工程位于武汉经济技术开发区四新农场地段，西起规划芳草路，向东经四新农场，止于会展一路，全长约3.8 km。本次调整设计中，于道路里程K1+000处，线路斜跨总港渠道。为保持渠道畅通和满足景观要求，经多次方案设计比选、论证，一座建筑造型新颖、美观别致的反对称异型景观拱桥成为最终的施工图设计方案。该桥根据道路走向、渠道宽带、景观体量等因素，从经济和造型的角度考虑，桥梁总体布置为一跨56 m下承式异型拱桥，梁体斜度为25°。目前该桥已建成通车（见图1）。

图1　总港异型拱桥鸟瞰图

2　主要技术标准

（1）道路等级:城市快速路。

（2）设计车速：40 km/h。

（3）设计荷载：机动车道为城－A级；人群荷载按照《城市桥梁设计荷载标准》（CCJ 77—98）取值。

（4）建筑界限：桥下净空不小于2 m，通行净宽不小于10 m。

（5）抗震设防标准：地震动峰值加速度0.05 g，对应烈度6度，按7度构造措施设防。

（6）环境类别：Ⅰ类。

（7）设计基准期：100 a。

3　结构设计

3.1总体布置

该桥纵向为平坡，桥跨计算跨径为56 m，主梁长63 m，单跨异型拱桥，斜度为25°，桥梁垂直道路中心线宽度为34.5～44 m，桥宽布置为0.25～5.0 m(观景平台)+3.0 m(人行道)+2.0 m(主拱及吊杆防护带)+3.0 m(非机动车道)+9.0 m(机动车道)× 2+3.0 m(非机动车道)+2.0 m(主拱及吊杆防护带)+ 3.0 m(人行道)+0.25～5.0 m(观景平台)。桥型布置立面图和跨中横断面图分别见图2、图3。

3.2拱肋

拱肋构造分为三种形式：I型、II型和III型。I型为等截面1.5 m×1.5 m，板厚32 mm的钢箱结构，为拱肋中间段，II型和III型为钢箱-混凝土变截面钢混结构，作为该桥拱脚，用于钢箱拱肋与预应力混凝土主梁之间的衔接。两榀拱肋间距为26 m，无风撑连接。钢结构材质为Q345qd。

图2　桥型立面图（单位：m）

图3　跨中横断面图（单位：mm）

3.3主梁

上部结构主梁采用“双纵梁”横断面，每片拱肋对应一道纵梁，在梁端吊杆处，两道纵梁均设横梁。两道纵梁均为单箱双室预应力混凝土箱梁结构，箱梁梁高1.8 m，外侧腹板为斜腹板，中间及内侧均采用直腹板，箱梁外侧翼缘板宽0.25～5 m，厚0.2～0.5 m；中横梁采用“T”型预应力混凝土梁结构，端横梁则采用抗弯刚度大的单箱单室预应力混凝土箱梁结构，梁高为1.8～1.935 m。

混凝土主梁材质采用C50混凝土，其纵向和横向预应力钢绞线均采用高强低松弛预应力钢绞线，抗拉强度标准值为1 860 MPa。

3.4吊杆

吊杆为考虑远期更换，采用双吊杆面，吊杆面间距均为4.0 m，采用成品索体，吊杆与拱肋之间采用叉耳锚连接，吊杆索体采用塑包平行钢丝束，钢丝采用镀锌高强钢丝，护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯。该桥所有吊杆均采用平行钢丝组成。

3.5下部结构

每个桥台下均布置两个独立的承台，承台尺寸长为7.5 m，宽为3 m，高为3 m，每个承台下均布置两根m钻孔灌注桩。

4　设计关键点

4.1合理拱轴线

有别于一般系杆拱拱圈（拱肋）合理拱轴线所采用对称的悬链线或抛物线，即为正态曲线，该异型拱采用偏态的曲线，与此匹配的吊杆采用统一的斜率斜向布置，以期满足拱肋受力更趋合理的需要，故拱肋线形的选取是一项设计关键点。

该桥计算跨径56 m，矢跨比采用1/3.5，矢高为16 m，拱轴线为偏态曲线，拱肋轴线上点座标理论方程为：

式中：设置主梁中心线与拱轴线相交交点为座标原点O，也即为上述拱轴线方程座标变量起点；α为吊杆倾角50°；L为计算跨径；f为矢高；X为坐标轴上单位长度坐标变量。

4.2拱肋稳定性

由于桥面横向较宽，且主梁为斜桥，两榀拱肋按道路中心线为反对称布置，不能设置横向联结风撑，因此拱肋自身截面刚度除满足应力强度要求外，在设计时还须充分考虑其在各种实际状态下的纵、横向的稳定性要求。

对于拱肋稳定性考虑，该桥其一是在拱脚设置变截面，形成拱肋刚度逐渐增大的变化，其二是与拱脚交接处设置强大的端横梁。

4.3拱脚钢混结合段

主梁采用混凝土梁，拱肋采用钢箱，钢箱拱肋和混凝土梁之间的结合部是两者组合的薄弱环节，因此拱脚结合部的设计成为该桥钢混结合段应用中的一项关键点。

本设计中通过大量计算分析，对国内外类似工程进行了研究探讨，并对结合部位混凝土和钢板的应力分布，研究了结合部位局部的弯矩和剪力的传力机制，得出了结合段最佳的截面构造形式和剪力钉布置方式，设计中采用精轧螺纹钢筋、剪力钉、粗钢筋及PBL剪力键形式共同作用，有效解决了结合部钢与混凝土之间力的传递。

5　上部结构分析

对该桥建立Midas Civil空间有限元模型进行总体静力计算与屈曲稳定性分析，计算模型见图4。

计算模型中拱、主梁采用空间梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。系杆为体内预应力模拟。模型中节点数为281个节点，梁单元数为263个，桁架单元数为24个。

图4　总港异型拱桥有限元分析模型

5.1静力计算

预应力混凝土主梁在正常使用阶段短期荷载作用下，正截面最大拉应力为-1.1 MPa，标准组合下，正截面最大压应力为8.6 MPa。主拱成桥阶段拱脚处最大压应力为108 MPa。运营阶段拱脚处最大压应力为146 MPa。可见成桥阶段及运营阶段拱圈应力均满足规范要求。图5、图6分别为成桥阶段和正常运营阶段主拱应力图。

图5　成桥阶段主拱应力图（单位：MPa）

图6　运营阶段主拱最大应力图（单位：MPa）

5.2稳定计算

运营状态稳定性计算分析考虑的荷载有：结构自重、汽车活载、人群荷载和非机动车辆荷载等。计算结果见表1。

从表1中可以看出:该桥成桥状态稳定安全系数相对较大，基本满足规范中关于拱桥的稳定安全系数的有关规定。

表1　成桥状态的稳定安全系数

图7和图8为成桥状态下的结构失稳模态图。从失稳模态图知，该桥的拱肋失稳模态均为面外侧倾失稳。

图7　运营状态失稳模态图（稳定安全系数14.5）

图8　裸拱失稳模态图（稳定安全系数50.4）

6　结　语

该工程实例作为城市景观桥梁，充分体现了“安全、经济、适用、美观”的桥梁建筑设计原则，突破常规拱桥方案构思，结构形式新颖，景观效果佳，在满足桥梁结构使用功能外，还很好地满足了桥梁建筑与美学要求，使桥梁建筑风格与周围环境协调统一。该桥建成后使用体验良好，已成为当地一道亮丽的建筑风景。

从结构本身特点而言，异型拱桥受力特性与普通正型拱桥相比，系梁受力相差不大，主要差异其一是体现在拱肋受力的不均匀性，其二是吊杆斜率的变化对拱肋影响较大，因此异型拱桥设计时采用合理拱轴线与恰当的吊杆斜率，与普通正型拱桥一样可以做到经济合理。

[1]李生智，王玮瑶，邬妙年.异型拱桥[M].北京:人民交通出版社，1996.

[2]JTG D62－2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]金成棣.预应力混凝土粱拱组合桥梁一设计研究与实践[M]．北京:人民交通出版社，2001．

[4]李乔，李丽.对于一种新型拱桥结构的美学分析及内力特性研究[J].四川建筑科学研究，2003,29(2):107-109.

[5]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社，1992.

U448.22

B

1009-7716（2016）10-0083-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.025

2016-06-28

陈泉（1976-），男，湖北黄冈人，硕士，高级工程师，从事桥梁设计工作。