李釗

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海市 2 00235）

多跨拱梁組合橋設(shè)計(jì)研究

李釗

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海市 2 00235）

介紹了一座跨海大橋的設(shè)計(jì)過(guò)程,該橋是一座連接人工海島與陸地的跨海車(chē)行橋，橋梁結(jié)構(gòu)采用了五跨連拱的拱梁組合體系，橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拱肋高低起伏，造型優(yōu)美。

拱梁組合體系；提籃拱；錨固架；顫振失穩(wěn)；渦激振動(dòng)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

該景觀橋位于海南省某海灣內(nèi),是一座連接人工島與陸地的車(chē)行橋。人工島由三個(gè)島串聯(lián)組成,其中一號(hào)島（381 hm2）規(guī)劃為綜合服務(wù)區(qū)，主要有風(fēng)情酒店、商務(wù)會(huì)議、健康運(yùn)動(dòng)、溫泉、飲食、酒吧等旅游配套服務(wù)；二號(hào)島（248 hm2）、三號(hào)島（154 hm2）規(guī)劃為配套旅游地產(chǎn)。根據(jù)人工島整體規(guī)劃及城市建設(shè)計(jì)劃，人工島有三條進(jìn)島通道，其中一號(hào)島通道為主要通道，包括：跨海段車(chē)行橋、人行橋、接線引橋、接線匝道等部分。本橋?yàn)橐惶?hào)島通道的跨海段車(chē)行橋部分。

該景觀橋是人工島連接陸地側(cè)濱海大道的一條主要通道，其中跨海段長(zhǎng)度約為500 m，橋梁入島后通過(guò)主線引橋和上下橋匝道與島上的交通樞紐相聯(lián)系。橋梁方案前后經(jīng)過(guò)多輪招標(biāo)和修改，最終確定跨海段主橋方案為-五跨連拱的拱梁組合體系橋，見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁效果圖

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市次干路；

（2）設(shè)計(jì)車(chē)速：40 km/h；

（3）設(shè)計(jì)荷載：城-B級(jí)[1]；

（4）設(shè)計(jì)凈空：機(jī)動(dòng)車(chē)道4.5 m；

（5）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)，γ0=1.1[2]；

（6）橋面鋪裝：8 cm混凝土+10 cm瀝青；

（7）常水位標(biāo)高：1.50 m；河床底：-3.0 m；

（8）通航凈空：6.5 m；通航凈寬：30 m；

（9）橋梁縱坡：最大3.0%，最小0.3%；

（10）橋梁橫坡：2%；

（11）環(huán)境類(lèi)別：Ⅲ類(lèi)（海水環(huán)境）[2]；

（12）基本風(fēng)速：40.4 m/s（百年一遇）；

（13）設(shè)計(jì)斷面：1 m（索區(qū)）+1.75 m（檢修道）+15 m（車(chē)行道）+1.75 m（檢修道）+1 m（索區(qū)）=20.5 m；

（14）抗震等級(jí)：地震動(dòng)峰值加速度為0.1g（基本烈度7度）。

2 總體布置

2.1 總體設(shè)計(jì)

本橋采用了“索輔梁”的設(shè)計(jì)概念，結(jié)構(gòu)受力主體為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，拱肋作為輔助受力結(jié)構(gòu)和裝飾性構(gòu)件，僅承擔(dān)部分恒載和活載。設(shè)計(jì)中,吊桿承擔(dān)約18%恒載，20%活載。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為3聯(lián)，跨徑布置為4× 40 m+（60 m+80 m+60 m）+4×40 m=520 m。其中60 m+80 m+60 m主橋?yàn)樽兏叨阮A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，4×40 m引橋?yàn)榈雀叨阮A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁,橋梁為雙向四車(chē)道。

橋拱采用五跨連拱結(jié)構(gòu)，跨徑布置為82 m+ 80 m+200m+80 m+83 m=525 m，每跨由兩片拱肋組成。主拱、邊拱均采用提籃拱的結(jié)構(gòu)形式，拱肋由拱腳至拱頂向內(nèi)側(cè)傾斜，拱軸線與水平面夾角呈78.1°，拱腳中心線橫橋向水平距離31.0 m，見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁總體布置圖（單位：m）

梁和拱的基礎(chǔ)均采用承臺(tái)+鉆孔灌注樁的形式，梁、拱基礎(chǔ)分離設(shè)置。引橋橋墩和主橋邊墩樁徑為1.5 m；拱肋主拱基礎(chǔ)樁徑為2.0 m，其余為1.5 m。橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)，橋臺(tái)承臺(tái)厚1.5 m，樁徑為1.0 m。

橋墩采用單柱空心開(kāi)花墩，墩底橫橋向?qū)?.2 m，墩頂展開(kāi)至 7.4 m，以便于上部結(jié)構(gòu)支座的布置。

本橋拱腳采用了反力錨固架的形式，錨固架利用螺栓與承壓鋼板和承臺(tái)混凝土結(jié)合，傳遞拱腳上部荷載。考慮到拱肋錨固架的布置拱腳承臺(tái)設(shè)置了二承臺(tái)。

2.2 施工過(guò)程

（1）新建臨時(shí)土圍堰，排除圍堰內(nèi)海水，清淤，整平；施工車(chē)行橋和拱肋基礎(chǔ)；鋼拱肋工廠預(yù)制，定位拱腳反力架；

（2）搭設(shè)支架，預(yù)壓，現(xiàn)澆混凝土箱梁；拆除支架，搭設(shè)少支架，進(jìn)行拱肋安裝；

（3）拆除少支架，橋面系施工；灌注拱腳壓重混凝土，張拉吊桿；

（4）箱梁、拱肋涂裝，拆除臨時(shí)土圍堰；施工橋下親水平臺(tái)、填島；竣工通車(chē)。

3 梁的設(shè)計(jì)

3.1 4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土車(chē)行橋

引橋跨中和支點(diǎn)斷面見(jiàn)圖3、圖4。

引橋?yàn)?×40 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，結(jié)構(gòu)縱、橫向均按部分預(yù)應(yīng)力A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。梁中心高2.3 m，寬20.5 m，橋梁采用單箱五室箱形斷面，頂板設(shè)置2%雙向橫坡，底板水平。標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚250 mm，腹板厚450 mm，支點(diǎn)處底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。箱梁端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬2.5 m。

圖3 引橋跨中斷面（單位：cm）

圖4 引橋支點(diǎn)斷面（單位：cm）

每聯(lián)引橋設(shè)置8對(duì)吊桿，吊桿間距8 m，吊桿位置處設(shè)置250 mm厚橫隔板。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，隔板僅作為集中力考慮，不考慮其剛度。

3.2 60 m+80 m+60 m預(yù)應(yīng)力混凝土車(chē)行橋

主橋?yàn)?0 m+80 m+60 m三跨變高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)縱、橫向均按部分預(yù)應(yīng)力A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。梁中支點(diǎn)梁高4.8 m，邊支點(diǎn)及跨中梁高2.3 m，梁底按照二次拋物線過(guò)渡，橋?qū)?0.5 m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面頂?shù)装搴?50 mm，腹板厚450 mm；支點(diǎn)處底板加厚至550 mm，腹板加厚至700 mm。頂板設(shè)置雙向2%橫坡，底板水平。箱梁端橫梁寬1.5 m，中橫梁寬2.8 m，見(jiàn)圖5。

圖5 主橋立面圖（單位：cm）

主橋共設(shè)置18對(duì)吊桿，吊桿間距8m，吊桿位置處設(shè)置250 mm厚橫隔板。

箱梁總長(zhǎng)200 m，考慮到腹板束過(guò)長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，鋼束易拉斷，在中跨跨中設(shè)置2 m后澆段，腹板束在后澆段端面錨固。為便于腹板束張拉，在中跨跨中處設(shè)置一段8.5 m長(zhǎng)腹板加厚段，腹板由450 mm加厚至1 050 mm。

4 拱的設(shè)計(jì)

4.1 拱肋構(gòu)造

（1）200 m主拱

主拱跨徑200 m，拱平面內(nèi)矢高62.859 m，線形為拋物線。拱肋板厚為16～24 mm。拱頂截面為2.5 m×2.5 m，拱底截面為3.0 m×6.3 m，截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。吊桿間距8 m，拱肋中在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。拱腳10 m范圍內(nèi)填充C30微膨脹壓重混凝土，見(jiàn)圖6。

圖6 主拱肋拱頂斷面、隔板斷面、風(fēng)撐斷面(單位：mm)

（2）82 m（83 m）邊拱

82 m（83 m）邊拱為不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，拱平面內(nèi)矢高26.574 m，線形為拋物線，一側(cè)拱腳與80 m邊拱拱腳相接，另一側(cè)與陸地相接。拱頂截面為2.0 m× 2.0 m，拱底截面為3.0 m×5.7 m，截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。拱肋板厚為16～20 mm。吊桿間距8 m，拱肋中在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。靠岸一側(cè)拱腳5.2 m范圍內(nèi)填充C30微膨脹壓重混凝土，另一側(cè)填充8.2 m。

（3）80 m邊拱

80 m邊拱為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，拱平面內(nèi)矢高29.641 m，線形為拋物線，一側(cè)與79 m邊拱拱腳相接，另一側(cè)與200 m主拱拱腳相接。拱頂截面為2.0 m× 2.0 m，拱底截面為3.0 m×6.2 m。截面高度沿拱軸線呈二次拋物線變化。拱肋板厚為16～20 mm。吊桿間距8 m，拱肋內(nèi)在吊桿對(duì)應(yīng)位置設(shè)置豎向隔板，其他位置隔板按一定間距布置。在拱腳12.4 m范圍內(nèi)填充C30微膨脹壓重混凝土。

拱肋采用帶圓倒角的八角形的鋼箱斷面，在截面角點(diǎn)處以5 mm厚的鋼板做圓弧過(guò)渡，圓弧半徑為300 mm。該斷面線條柔和，避免了多邊形截面棱邊帶來(lái)的突兀感，與人工島的整體景觀相協(xié)調(diào)；截面風(fēng)阻系數(shù)較小，可改善結(jié)構(gòu)在橫橋向風(fēng)荷載作用下的力學(xué)性能。

4.2 拱腳設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)的鋼混結(jié)合段拱腳構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋沖突嚴(yán)重，定位困難，鋼混結(jié)合面容易出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象，本橋拱腳采用剛性柱腳錨固架的設(shè)計(jì)，利用螺栓和承壓鋼板與承臺(tái)混凝土結(jié)合，傳遞拱上荷載。拱壁鋼板進(jìn)入承臺(tái)頂面0.8 m處截?cái)啵O(shè)置上下承壓板，將拱壁直接焊接在承壓板上，并在上下承壓板間設(shè)置與拱壁對(duì)應(yīng)的加勁板與肋板，形成拱腳處剛性區(qū)域。在承臺(tái)以下設(shè)置型鋼錨固架，作為錨桿錨固結(jié)構(gòu)；上下承壓板設(shè)置螺栓孔，螺桿從螺栓孔穿過(guò)錨固在上承壓板上頂面，見(jiàn)圖7。

4.3 吊桿的設(shè)計(jì)

圖7 拱腳三維圖

吊桿間距8 m，邊拱各設(shè)6對(duì)吊桿，主拱設(shè)18對(duì)吊桿，全橋共計(jì)42對(duì)吊桿，吊桿長(zhǎng)26.46～201.91 m。拱腳與承臺(tái)均為固結(jié)。

吊桿索體采用環(huán)氧涂層鋼絲雙層HDPE的PES.E(FD)5-37低應(yīng)力防腐索體，鋼絲強(qiáng)度1670 MPa，鋼絲性能滿(mǎn)足GB/T25835-2010《纜索用環(huán)氧涂層鋼絲》的要求，吊桿兩端采用冷鑄錨。吊桿的安全系數(shù)K=3，即設(shè)計(jì)索力不大于破斷力的0.333倍。

吊桿配套錨具為：拱端為L(zhǎng)ZM5-37叉耳式固定端錨具，梁端為L(zhǎng)ZM5-37調(diào)節(jié)端錨具。

5 耐久性設(shè)計(jì)

橋梁位于海水環(huán)境內(nèi)，設(shè)計(jì)環(huán)境類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，且橋梁鋼構(gòu)件較多，耐久性設(shè)計(jì)需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。主要采取的耐久性措施有：

5.1 混凝土構(gòu)件

混凝土主要采用：控制混凝土的澆筑質(zhì)量；控制混凝土的保護(hù)層厚度；添加適量的混凝土外加劑；混凝土箱梁外表面采用表面涂層保護(hù)。

5.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

預(yù)應(yīng)力筋采用材料表面處理、預(yù)應(yīng)力套管、套管填充、混凝土保護(hù)層和構(gòu)造措施等措施保證。預(yù)應(yīng)力錨固端，采用無(wú)收縮高性能混凝土封錨，并對(duì)新老混凝土連接面進(jìn)行防水處理。采取構(gòu)造措施，防止水直接作用錨固封堵端的外表面。

5.3 鋼構(gòu)件

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要采用涂裝體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐。鋼拱肋外表面和預(yù)埋件外表面（防腐年限15 a）：無(wú)機(jī)富鋅底漆1道75 μm；環(huán)氧封閉漆1道25 μm；環(huán)氧（云鐵）漆2道150 μm；丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆/氟碳樹(shù)脂漆1道40 μm；氟碳面漆1道40 μm，合計(jì)330 μm。鋼拱肋內(nèi)表面（防腐年限25 a）可少一層面漆。

5.4 浪濺區(qū)橋墩防腐

浪濺區(qū)橋墩的腐蝕等級(jí)為Ⅲ-F，防腐要求高，主要采取的防腐措施有：墩身采用海工混凝土；混凝土中摻入阻銹劑；墩身受力主筋采用環(huán)氧涂層鋼筋。

5.5 吊桿防腐蝕

吊桿索體采用環(huán)氧涂層鋼絲雙層HDPE的PES.E(FD)5-37低應(yīng)力防腐索體。拉索錨具為冷鑄錨，外露表面須在施工完成后立即做二次防腐，防腐要求與拱肋鋼箱梁外表面防腐要求相同。使用中定期檢查吊桿拉索及錨頭的腐蝕情況，吊桿的使用年限為15 a。

6 抗風(fēng)研究

6.1 研究目的

1940年美國(guó)塔科馬懸索橋風(fēng)毀事故之后，橋梁的風(fēng)致響應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越受到重視。大跨度橋梁風(fēng)致響應(yīng)問(wèn)題主要有：顫振失穩(wěn)、靜力發(fā)散、隨機(jī)抖振、渦激振動(dòng)和馳振失穩(wěn)。

本橋中的大跨度鋼箱拱結(jié)構(gòu)，由于自身剛度小、自振頻率低、阻尼小等原因，不可避免地會(huì)發(fā)生抖振效應(yīng)。抖振除會(huì)使人感到不適影響行車(chē)安全外，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的局部疲勞損傷，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，專(zhuān)題立項(xiàng)對(duì)跨海大橋進(jìn)行風(fēng)致抖振分析和渦振響應(yīng)分析。

6.2 研究結(jié)論

通過(guò)研究分析主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)特征值分析，拱肋動(dòng)力特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拱肋動(dòng)力特性值

（2）拱肋抖振響應(yīng)分析結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 拱肋抖振分析最大位移

表3 拱肋抖振分析最大應(yīng)力幅

風(fēng)致抖振位移較??；吊桿橋面位置抖振產(chǎn)生轉(zhuǎn)角較?。还袄咦畲髴?yīng)力幅在允許范圍內(nèi)，風(fēng)致抖振響應(yīng)不控制設(shè)計(jì)。

（3）吊桿風(fēng)致抖振響應(yīng)：三跨拱吊桿的最大應(yīng)力幅均發(fā)生在最短吊桿處，數(shù)值分別為47.9 MPa、137.3 MPa和207 MPa，應(yīng)力幅較大，應(yīng)適當(dāng)減小短吊桿的截面剛度。

（4）渦振響應(yīng)分析：渦振風(fēng)速區(qū)域內(nèi)，氣動(dòng)力的數(shù)值相對(duì)較小，難以激起主拱結(jié)構(gòu)較大的振幅。渦振響應(yīng)不控制橋梁設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語(yǔ)

2015年10月本橋已進(jìn)入施工階段，橋梁建成后，將會(huì)改善海島與大陸的交通聯(lián)系，也會(huì)為海灣增添一道亮麗的風(fēng)景。該橋建造環(huán)境為海洋環(huán)境，臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，建設(shè)條件惡劣，橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拱肋高低起伏，造型優(yōu)美，具有較大的設(shè)計(jì)難度，本橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和科研結(jié)論具有一定參考價(jià)值。

[1]CJJ 11-2011,城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D64-2015,公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U448.21+6

B

1009-7716（2017）01-0047-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.013

2016-10-27

李釗(1983-),男,湖北孝感人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。