大芦线二期浦星公路230 m下承式系杆拱桥设计

鄢余文

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

1　工程概况

上海市以“一环十射”干线航道为骨架的高等级内河航道网建设，是实现内河航运现代化和水资源综合利用，打造完善的内河集疏运体系，实现多种运输方式一体化发展，建设国际航运中心的重要举措。

大芦线二期航道又名大治河，位于上海东南部，是上海市“一环十射”规划干线航道之一，是上海国际航运中心建设的重要组成部分，是沟通洋山深水港区和相邻省区的重要国家级集装箱运输主通道。

浦星公路桥是大芦线航道整治二期工程跨航道桥梁改建中的一座，桥梁位于闵行区浦江镇，邻近大治河西闸，见图1。现状桥梁不能满足规划Ⅲ级航道的通航要求，需拆除重建。

图1　桥梁地理位置图

2　主要技术标准

（1）航道技术标准

航道等级：Ⅲ级通航标准。通航水位：设计最高通航水位3.2 m，设计最低通航水位2.0 m。

航道面宽及通航净空尺度：浦星公路桥位于大治河西闸口门区，重建桥梁需一孔跨过通航水域，航道通航净宽取航道设计面宽195 m，通航净高7.0 m（矩形断面）。

（2）道路技术标准

浦星公路为上海市主要干线公路，道路红线宽度45 m，按主辅断面布置。主线为双向6车道规模，按一级公路标准设计，设计车速80 km/h；辅道为双向2车道并考虑人行和非机动车通行，按城市次干路标准设计，设计车速30 km/h。

（3）桥梁技术标准

荷载等级：汽车荷载取公路-Ⅰ级，人群荷载取2.875 kN/m2。

抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度为0.10 g，桥梁抗震措施等级按8度设防。主桥抗震设防类别为A类，引桥抗震设防类别为B类。

3　建设条件

现状桥梁跨径布置：2×22 m+35 m+42 m+35 m+2×22 m，主桥上部结构为简支T梁，引桥上部结构为空心板梁。桥面为双向4车道规模，分离式双幅桥，桥面总宽29.5 m，见图2。

现状桥梁通航净宽35 m，通航净高4.96 m，不满足大芦线航道规划的Ⅲ级通航净空尺度要求，需拆除重建浦星公路桥。

此外，本工程新老桥中心线重合，施工期间需先拆除老桥，考虑现状交通绕行并配合修建临时交通便桥，以维持道路交通的通行。

图2　现状浦星公路桥

4　总体方案

4.1　主跨取值

浦星公路桥位于大治河西闸口门区，航道设计面宽为195 m。主桥在航道南岸避让航道护岸；在北岸避让老桥桥墩，并满足桥下防汛通道布置要求，新建主桥主跨取230 m，见图3。

图3　主桥主跨布置

将主墩远离河道布置，可减小承台埋深，避免深基坑开挖，并与护岸互不影响，确保主桥下部结构安全，施工方便。

4.2　桥梁方案设计

浦星公路桥主跨为230 m，适用桥型主要有下承式系杆拱桥、双塔斜拉桥等。

与双塔斜拉桥相比较，下承式系杆拱桥为单跨简支结构，主桥长度规模小，造价相对较低。此外，结合本桥特定条件，部份主跨位于航道尚未开挖的岸上，部份主跨位于水中但可充分利用老桥基础作为临时支撑，较适合采用先梁后拱法施工，从而对降低主桥造价起到了关键作用，且降低了桥梁施工难度与风险。

综上所述，浦星公路桥主桥采用单跨230 m下承式系杆拱桥，见图4。下承式系杆拱桥主梁结构高度低，可有效减小引桥长度，桥梁整体建筑造型优美，与周围环境相协调，桥梁方案经济合理、景观效果好。

图4　桥梁总体效果图

4.3　总体布置

主桥采用计算跨径230 m的下承式钢箱系杆拱桥，主桥全长为237 m，主拱为提篮式钢箱拱肋，主梁为钢-混凝土组合梁，见图5、图6。

图5　浦星公路主桥立面图（单位：m）

图6　浦星公路主桥平面图（单位：m）

主桥整幅布置，桥面宽度43.4 m，布置双向6车道机动车、人行及非机动车道，其中人非车道布置于拱肋外侧，见图7。

5　结构设计

5.1　主梁设计

主梁采用钢－混凝土组合梁，截面中心处标准梁高3.3 m，系梁中心处标准梁高2.99 m，拱脚截面中心处梁高增加至4.3 m。桥面全宽43.4 m，梁底水平，梁顶设置双向2.0%横坡。

钢梁部份采用Q345qD全焊钢结构，由钢主梁（系梁）、中横梁、端横梁、小纵梁及挑臂组成的双主梁体系，见图8。

图7　浦星公路主桥横断面图（单位：cm）

图8　1/2主梁截面图（单位：mm）

钢主梁共设2道，中心距32.194 m，采用箱型截面，其腹板内倾12°与拱肋腹板对齐，截面宽2.556 m，截面高2.710 m。在每道钢主梁的箱室内布置6根水平系杆，每根系杆采用55股Φsl 5.2环氧钢绞线，水平系杆锚固于钢主梁端部，并在箱室外张拉。

中横梁顺桥向标准间距3.9 m，采用工字形截面，梁高2.685～3.065 m。端横梁采用箱形截面，宽度5.0 m，梁高3.735～4.020 m。

桥梁横断面上设5道小纵梁，其中2道设置于箱梁挑臂处，小纵梁采用工字形截面。

钢主梁外侧钢挑臂长度4.892 m，桥面布置非机动车道及人行道。其中非机动车道部份的桥面设置混凝土桥面板，人行道部份在钢桥面上支撑设置人行道板。

混凝土桥面板采用分块预制施工，待铺设到位后现浇纵、横向湿接缝形成整体。预制桥面板采用26 cm厚的C50钢筋混凝土板。钢主梁、小纵梁及横梁的顶部采用28 cm厚的C50复合纤维混凝土现浇湿接缝，并通过Ф22 mm圆头剪力钉与相应钢梁的顶板进行连接。

5.2　主拱设计

主拱体系由2片提篮式钢箱拱肋和6道钢箱风撑组成。结合桥梁总体布置及结构受力，并考虑景观效果，拱肋平面内倾12°，拱脚处2片拱肋中心距31.5m，拱顶处拱肋中心距12.372 m。拱肋线型为二次抛物线，拱肋平面内矢高46.0 m，矢跨比为1/5。

拱肋材料主要采用Q345qD、拱脚区域提高至Q370qD。拱肋采用矩形截面，宽度2.5 m，高度3.6 m，见图9。拱肋横隔板垂直于拱轴线布置，吊杆处增设竖直向横隔板。主拱设置6道箱型一字式风撑，截面高度1.78 m，宽度3.5 m，见图9。

图9　主拱隔板截面、吊点截面、风撑截面图（单位：mm）

5.3　吊杆设计

吊杆顺桥向间距7.8 m，吊杆索面同拱肋平面，即横桥向内倾12°。全桥共设27对吊杆，中间吊杆采用37股Φsl 5.2环氧钢绞线，端吊杆采用43股Φsl 5.2环氧钢绞线。

吊杆两端锚头均为冷铸锚，采用梁端箱内张拉，拱端连接穿销式耳板，并采用球铰以适应吊杆微小转动。钢主梁底板在每个吊点位置设永久施工孔，以方便张拉。

6　结构计算

6.1　计算模型

采用Midas软件，建立三维有限元计算模型，见图10。混凝土桥面板采用板单元模拟，吊杆及系杆采用杆单元模拟，其余构件均采用梁单元模拟。

图10　有限元计算模型

计算荷载包括恒载、活载、风荷载、温度荷载、地震荷载、基础不均匀沉降等，荷载组合按规范要求取值。

6.2　静力计算

（1）拱肋计算

荷载基本组合下，拱肋应力计算结果见图11、图12。

图11　荷载基本组合拱肋上缘应力图（单位：MPa）

图12　荷载基本组合拱肋下缘应力图（单位：MPa）

荷载基本组合下，拱肋全截面受压。拱肋截面上缘最大压应力为216.5 MPa，位于拱顶区域。拱肋截面下缘最大压应力为245.8 MPa，位于拱脚区域。经验算，拱肋强度满足规范要求。

（2）钢主梁计算

主梁采用钢－混凝土组合梁，在考虑混凝土桥面板全截面受力前提下，进行钢主梁静力计算。荷载基本组合下，钢主梁应力计算结果见图13、图14。

图13　荷载基本组合钢主梁上缘应力图（单位：MPa）

图14　荷载基本组合钢主梁下缘应力图（单位：MPa）

荷载基本组合下，钢主梁上缘最大拉应力为82.4 MPa，位于跨中区域；上缘出现最大28.2 MPa的压应力，位于梁端区域。

荷载基本组合下，钢主梁下缘最大拉应力为187.9 MPa，位于梁端区域；下缘出现最大47.8 MPa的压应力，位于跨中区域。

经验算，钢主梁强度满足规范要求。

（3）桥面板计算

对于混凝土桥面板，在成桥时因为张拉水平系杆的关系，桥面板以受压为主。计入10年收缩徐变后，桥面板变为受拉。荷载标准组合下，桥面板应力计算结果见图15。

荷载标准组合下，桥面板最大拉应力为5.83 MPa。拉应力超过C50混凝土的抗拉强度标准值，认为桥面板已开裂，按钢筋混凝土偏心受拉构件验算其裂缝和强度。

图15　荷载标准组合1/2桥面板应力图（单位：MPa）

（4）系杆计算

通过在钢主梁上设置水平系杆，承担结构部分水平推力，改善拱肋及钢梁受力，增加混凝土桥面板的压应力储备。

每道钢主梁箱内布置6根系杆。系杆力以优化拱肋弯矩及主梁拉力为目标，进行反复试算确定。荷载基本组合下每根系杆计算拉力为 5 000 kN，采用55Φsl 5.2环氧喷涂可更换系杆，其抗拉力设计值 7 683 kN，系杆强度满足要求。

（5）吊杆计算

荷载基本组合下，各吊杆内力计算结果见表1。

表1　荷载基本组合吊杆内力计算结果表

中间吊杆采用37Φsl 5.2环氧钢绞线，其抗拉力设计值 5 169 kN；端吊杆（1、2、26、27号）采用43Φsl 5.2环氧钢绞线，其抗拉力设计值 6 007 kN；吊杆强度满足要求。

6.3　稳定分析

主拱为压弯构件，其稳定性是全桥可靠性的关键所在。采用Midas计算软件，对主桥按第一类线弹性稳定计算方法，计算方程为：

在最不利工况下，成桥阶段主桥第一阶失稳模态为拱肋一阶反对称面外失稳，见图16。主桥最小弹性稳定系数为8.8，满足规范要求。

图16　主桥第1阶屈曲模态

7　结语

浦星公路桥位于大治河西闸口门区，根据航道通航要求，主桥采用计算跨径230 m的下承式系杆拱桥一跨过河布置。

主桥采用提篮式钢箱拱肋，主梁为钢－混凝土组合梁，能有效降低结构自重，加强结构稳定，增加桥梁跨越能力。结合现场条件，主桥推荐采用先梁后拱法施工，主拱和主梁均为大节段预制吊装，施工方便快捷，安全可靠，对航道通航影响较小。

本工程提篮式主拱曲线优美，桥梁整体造型简洁轻盈、雄伟壮观，建成后将成为上海地区最大跨径的下承式拱桥，并将成为大芦线航道上的一道独特景观。