下官河大桥飘带形系杆拱设计

刘玉静，申哲会，贲庆国

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

1 工程概况

下官河大桥位于兴化市西北区域平旺湖北出口，东临千垛菜花景区，西接李中水上森林公园，跨越下官河V级航道，是连接千垛菜花景区至李中水上森林公园的重要通道。桥梁全长407.08 m，主桥采用4跨中承式飘带形系杆拱，跨径布置为（22+60.9+75.9+22） m，全长180.8 m，桥面全宽12 m。两侧引桥分别为4×20 m、7×20 m后张预应力混凝土空心板，主桥桥型立面见图1。

采用设计标准如下：汽车荷载等级，公路—Ⅱ级；设计车速60 km/h；桥面设计纵坡2.8%；桥面设计横坡，双向2%；竖曲线半径，桥梁凸曲线半径3 500 m；通航标准，V级航道，通航净空60 m×5 m；抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度0.1 g。

图1 主桥立面图（单位：m）

2 方案设计

下官河大桥桥位处河口宽150 m，水面宽126 m，东侧鱼塘宽123 m，水面宽116 m，下官河与鱼塘间有一道宽约2 m的圩堤，桥梁中心线与航道中心线基本正交。桥梁方案的选择首先应满足航道的通航净空要求，同时结合周边环境，达到一定的景观效果。

拱桥形如玉带，态似彩虹，具有曲线美，形态上兼容了自然景观与人文景观协调美的特性（曲线易融性）［1］。选型初始，选定桥型方案为拱桥，考虑到水面较宽，航道偏于一侧，经过多次比选，主桥采用4跨中承式非对称飘带形系杆拱，跨径布置为（22+60.9+75.9+22） m。从远处看，4个拱高低错落有致，犹如两条飞舞的飘带，又如展翅飞翔的海鸟，临湖而动，具有强烈的景观视觉效果，与周边环境融为一体。如图2所示。

图2 方案构思图（单位：m）

3 结构设计

3.1 结构体系

下官河大桥主桥拱肋立面轴线线形采用二次抛物线，竖直布置，拱肋之间通过拱间横梁连接。吊杆采用横桥向双索面布置，在横梁上布置混凝土预制Π形板形成桥面行车体系，桥面荷载通过横梁、吊杆传递至拱肋。桥面以上拱肋采用矩形钢箱形拱，桥面以下采用实体混凝土拱肋。护栏与拱肋之间设置水平系杆连接主桥两端的端横梁，以平衡主桥的水平推力；顺桥向拱与拱之间的水平推力通过合理配置矢跨比使得全桥在恒载下的拱脚间水平推力相互抵消[2]。

3.2 主拱肋

主桥共设置2片拱肋，分别由4个拱跨组成，拱轴线均采用二次抛物线。1号、4号拱肋位于主桥两端，分别由2个半拱组成。2号、3号拱肋计算跨径分别为60 m、75 m，矢高分别为24.5 m、38 m。2片拱肋在桥面以上无横撑，在桥面以下设置预应力混凝土拱间横梁，用以加强拱肋的整体稳定性能，同时搁置桥面板。桥面约2 m以上拱肋采用矩形钢箱形拱，桥面以下采用实体混凝土拱肋。1号、4号拱肋截面高度为2 m，2号、3号拱肋立面采用变高度设计，拱顶处截面高度为1.3 m，拱脚处混凝土断面理论截面高度分别为2.3 m、2.8 m，桥面以上钢-砼接头处截面高度分别为1.8 m、2.3 m，截面高度沿拱轴线长度线性变化，横桥向拱肋宽度均为1.5 m。

钢拱肋采用箱形断面，顶底腹板厚度均为20 mm，在拱脚区局部加厚至24 mm。顶、底板及腹板均采用钢板加劲，加劲板厚16 mm，板高180 mm，间距300~550 mm。拱肋每约2 m设置一道厚度为16 mm的横隔板，与拱轴线垂直布置，在吊杆处横隔板与吊杆方向一致，竖直布置，板厚为20 mm。钢结构拱肋采用Q345q-D，技术条件符合GB/714—2000的要求。如图3、图4所示。

图3 钢箱拱肋断面图（单位：mm）

图4 钢-砼连接段（单位：mm）

3.3 钢-砼连接段

2号、3号拱在拱脚处设置钢-砼连接段，为保证钢箱拱肋与混凝土拱肋之间的连接过渡段应力均匀、有效过渡，本桥构造设计上遵从多次应力扩散的设计原则进行设计。

钢箱拱在靠近连接段时，钢箱壁厚由20 mm变为24 mm，纵向加劲肋从16×200 mm渐变为16×300 mm，完成钢-砼连接段第一次应力扩散，即钢结构本身的应力扩散；在钢-砼分界线处设置封头端板，端板下1.5 m范围内设置栓钉及PBL剪力键，并在钢-砼连接段处设置预应力粗钢筋，完成应力的第二次扩散。

3.4 桥道系

吊杆区桥道系采用横梁+桥面板的结构形式，吊杆横梁采用预应力混凝土T形断面,桥面板采用0.55 m高Π形混凝土预制板。桥面板在吊杆横梁处设置后浇带，以保证桥面板与横梁固结。桥面板通过支座与拱间横梁相连。

1号、4号拱区段采用20 m跨径预制空心板梁，简支结构，两端分别搁置在端横梁及拱间横梁上。过渡墩段8.64 m范围考虑到边拱压重，设计采用实心整体桥面，引桥20 m空心板支撑在过渡墩端横梁上。如图5所示。

图5 边跨拱梁结合区立面（单位：cm）

6#墩顶拱间纵梁采用钢筋混凝土箱梁，经过对两端与拱间横梁简支、一端简支一端固结及两端均简支等各种边界条件形式的比较，最终设计选用与拱间横梁两端固结。如图6所示。

图6 6#墩顶拱梁结合区立面（单位：cm）

3.5 吊杆

为减少断索、换索风险，吊杆布置采用双吊杆形式。吊杆纵桥向间距5.5 m，全桥共36对，吊杆横梁上张拉端采用螺母调节型锚具，拱上固定端采用销铰式锚固。吊杆采用填充型环氧涂层钢铰线吊杆，抗拉强度标准值为1 860 MPa。为了加强拱桥横桥向结构的稳定性，双吊杆在横桥向布置。标准横断面布置如图7所示。

图7 标准横断面图（单位：cm）

3.6 系杆

系杆顺桥向沿桥面竖曲线进行布置，横桥向设置在拱肋与护栏之间，每侧共4束，采用环氧喷涂无粘结钢铰线成品索，抗拉强度标准值为1 860 MPa。系杆在每个吊杆横梁上设置支架，在每个拱间横梁处设置钢管转向器。系杆锚固在端横梁牛腿处。

3.7 基础

主桥边墩采用直立式墩，四角外形为圆弧，以利水流顺畅，墩身采用1.7 m×1.8 m，承台为低桩承台，厚2.50 m，两排计4Φ1.2 m钻孔灌注桩基础；中墩承台厚2.5 m，双排计6Φ1.2 m钻孔灌注桩基础。承台间设置系梁，中墩承台顶设置拱座。

4 结构计算分析

本桥空间采用Midas civil 2012程序建立三维有限元模型进行计算，全桥共划分为1 372个节点，1 519个单元。拱肋、桥道系、桩基均采用空间梁单元，系杆、吊杆采用桁架单元。边拱上部20 m空心板、桥面铺装等按外荷载作用在结构上。桩基按m值法计算，采用节点弹性支撑模拟。主桥结构离散如图8所示［3-5］。

4.1 静力分析

根据计算，标准组合下，钢箱拱内最大压应力值为92.2 MPa，最大拉应力值为41.6 MPa。结构受力满足规范要求。

考虑到本桥桥面以上拱肋之间未设置风撑，为加大拱桥横向整体刚度，设计上考虑加大拱间横梁尺寸。拱间横梁及吊杆横梁按部分预应力砼A类构件进行设计，控制各个横梁在短期效应组合下不允许出现拉应力。经过结构尺寸及预应力优化调整，拱间横梁全截面承压，短期效应组合最小正应力值为0.5 MPa，标准组合最大压应力为2.9 MPa；吊杆横梁短期效应组合下最小正应力为3.2 MPa，标准组合下最大压应力13.6 MPa。计算结果满足规范要求。

汽车活载作用下，主桥中跨最大挠度幅值Δh=33.4 mm，Δh/L=1/2 245.5，满足规范要求。

在标准组合下，系杆及吊杆的最小安全系数均大于2.5，满足规范要求。吊杆应力幅最大值为278.8 MPa，系杆应力幅最大值为46.3 MPa，满足使用要求。由于传力路径的远近，内侧吊杆（靠近行车道）受力大于外侧吊杆，根据计算，两者相差比值最大处为1.25。

4.2 稳定分析

稳定计算模型汽车活载按照主跨跨中竖向位移最大原则进行加载，结构一阶失稳安全系数为24.9，为主跨拱肋同向侧倾失稳，计算结果表明结构具有良好的稳定性能。

4.3 动力分析

中承式柔性系杆拱桥结构较柔，从已建成相似桥型来看，大部分桥梁都存在着车桥振动较大的问题，因此，对该类桥梁的动力特性问题必须予以重视[3]。笔者认为，解决这一问题的关键问题在于：（1）增大拱肋之间的横向联系；（2）加大桥道系结构的整体刚度。因此，在本桥的设计中综合考虑了这两个措施，加大拱间横梁的结构尺寸及桥面板在吊杆横梁处设置后浇带来保证桥面板与横梁固结成整体，以改善结构的动力特性。本桥分析计算前30阶振型中的前10阶振型，计算结果如表1所示。

表1 下官河大桥主桥动力特性

从表1可以看出，主桥前3阶均为拱肋面外振动，直到第4阶才出现拱桥竖向振动，拱肋的面外自振频率与面内自振频率之比约为0.79。主桥1阶振动频率及面外与面内振动频率比值相比其它中承式拱桥较大[4-5]，说明本桥整体刚度较大。

4.4 抗震分析

本桥考虑了两种荷载工况下的地震作用，即横桥向+竖向地震及顺桥向+竖向地震，由计算分析可知，本桥抗震性能满足规范要求，结构安全合理。

5 结语

随着我国经济的蓬勃发展，人民生活水平日益提高，现在人们已将人类生存的环境作为考虑的首要问题，在这种情况下，景观问题越来越得到重视。因此，桥梁工程师们应从结构的受力特点出发，结合景观的需要，重视对结构外形的研究，尽可能地做到与周边环境相协调。下官河大桥作为连接千垛菜花景区与李中水上森林公园的重要交通枢纽，主桥利用4跨连拱的形式，在景观功能上既能融入自然环境，又可作为对当地的人文景观起到提升作用的地标建筑。本文简要介绍了主桥的总体布置及各主要结构的设计分析，以期能为国内同类桥梁的设计提供参考。

［1］ 杨士金，唐虎翔.景观桥梁设计［M］.上海：同济大学出版社，2003．

［2］ 郑怀颖，陈宝春.飞鸟式钢管混凝土拱桥设计计算分析［J］.公路交通科技，2007（1）：90-94.

［3］ 张连振，黄侨，杨大伟.朝阳市东大桥钢管混凝土拱桥设计［J］.公路交通科技，2005（6）：78-81.

［4］ 陈宝春.钢管混凝土拱桥（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2007：808-820．

［5］申哲会.三肋钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析［J］.公路，2014（7）：150-153.