沭阳新城路斜跨钢拱桥设计研究

 李三珍

 [上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200092]

摘要：结合环境特色及城市总体规划，介绍景观桥金水桥梁总体布局、设计思路、结构设计及关键技术研究。桥型采用单榀斜跨钢拱桥结构，主拱拱圈斜跨主桥，采用空间交叉扭转双索面拉索结构。桥梁结构新颖，造型别致，城市景观效果突出，具有一定的创新性。

关键词：斜跨钢拱；空间交叉扭转斜拉索；推力拱；城市景观桥梁

中图分类号：U448.22 文章编号：1004-4655( 2016) 03-0024-03

1工程概况

 新城路为沭阳市南部新城中心城市南北向交通性主干道，是南部新城的交通轴和景观轴。金水桥为新城路跨越金水河景观廊道的重要节点工程。

 金水河定位为南部新城中央水轴景观廊道，桥型方案设计在满足桥梁交通功能的前提下，桥梁应与整个城区规划、环境相吻合。桥梁定位为标志性城市景观桥梁，建成后将成为龙舟大赛的主赛场。

2建设条件

2.1沿线道路、河道及周边建筑

2.1.1道路环境

 新城路为本桥所在道路，是城市主干道，设计行车速度60 km/h，双向6车道，道路总宽45 m。桥梁按规划道路断面，以路桥同宽原则进行设计。

2.1.2河道环境

 金水河定位为南部新城中央水轴景观廊道，规划以中央金水河（龙舟赛道）为轴，串联南部新城商业中心、南湖公园、高尚居住等功能，向西延伸至夏吟湿地公园，形成东西公共休闲水轴。

 金水河规划河口宽度60～70 m，桥梁需满足桥下龙舟赛通航净空、沿河休闲步道通行净空及河岸观景等多方面要求。金水河规划断面见图1。根据金水河廊道规划，河道两岸为城市慢行休闲带，两侧河岸均保留有各4m宽的亲水休闲步道。

2.1.3建筑环境

 桥位区域定位为现代滨水商业特色风貌区，规划采用现代时尚的建筑形式，以中央水轴为依托，强化建筑滨水特色和两侧建筑联系，打造滨水特色的现代商业中心。

2.2地质情况

 场区地处黄淮平原的中部，地貌类型属黄河冲积平原，地形单一，全部为冲积平原，地形平坦。

 场地堆积阶地表层由软黏土①~②层、含大量钙质结核黏土③层、含大量铁锰结核及少量钙质结核黏土④层、中砂⑤层、含铁锰结核黏土，夹中砂⑥层、密实，饱和中砂⑦层、硬塑，夹中砂黏土⑧层等组成，根据地勘报告，桩基持力层为第⑦层和⑧层。

3技术标准

 1)道路等级：城市主干路。

 2)设计行车速度：60 km/h。

 3)汽车荷载：城-A级。人群荷载：按CJJ11-2011《城市桥梁设计规范》规定取值。

 4)道路横断面布置：3.0 m（人行道，包括栏杆）+4.5 m（非机动车道）+3.5 m（机非分隔绿化带）+ 23 m（双向6车道）+3.5 m（机非分隔绿化带）+4.5 m（非机动车道）+3.0 m（人行道，包括栏杆），总宽45 m。

 5)桥梁纵坡3%，横坡双向2%，人行道反向单坡1%。

 6)通航限界：40 m×3.5 m。

 7)设计水位：河道最高蓄水位6.25 m（废黄河高程）。

 8)环境类别：Ⅱ类。

 9)抗震：地震基本烈度7度，设计基本地震加速度值为0.15g。

 10)设计基准期：100 a。

4设计构思及关键点

4.1桥梁方案构思

 本桥位于南部新城核心区，为城市重要门户和龙舟赛观景平台，故桥梁以“龙门”为主题构思。

 桥型采用单榀斜跨钢拱桥结构，主拱拱圈斜跨主桥。拱塔采用空间组合形成拱门形状，给人以新门户的感觉。交叉扭转双索面拉索结构，不同的视角均取得较好的景观效果（见图2）。

4.2桥梁结构设计关键点

 1)桥梁宽45 m，拱肋斜跨后，拉索采用空间交叉扭转布置，构造上须解决行车限界的问题，受力上需解决箱梁抗扭的问题。

 2)拉索空间交叉扭转布置，构造上需解决索拱锚固、索梁锚固以及拉索张拉的问题。

 3)场区属黄河冲积平原，地势平坦，需合理解决大跨有推力拱桥的水平力问题。

5总体布置

  金水桥为斜跨钢拱桥，主梁单跨80 m，桥梁总宽45 m，与河道正交。拱肋跨径120 m，矢高52.5 m，矢跨比为1/2.286，与道路斜交31 0。主桥设竖曲线R=2 000 m，最大纵坡3%，横坡2%。采用空间交叉扭转双索面形式，拉索在主梁上索距为5 m，拱肋上索距为2.75 m。桥下保证40 m×3.5 m的通航限界，沿河两岸桥下亲水步道通行限界为4 m×2.5 m，总体布置见图3。

 主梁为单跨简支，通过吊杆和桥台支承。端支承为纵向滑动支座，加劲梁两端设置伸缩缝，在横向和纵向设置抗震挡块；通过拱脚设置群桩基础，以平衡拱肋的水力推力。

 桥梁横断面采用路桥同宽原则布置。桥梁横断面布置图见图4。

 本桥主梁和拱肋均采用钢结构，以减小拱肋水平推力。主梁采用整体箱型截面，抗扭性能好。采用合适的拱肋矢跨比和拉索间距，从构造上，利于保证车行区域有23 mx5 m的行车限界，并减小水平推力。

6结构设计

6.1主梁

 全桥钢箱梁共划分为3种类型，17个节段，标准梁段长度5m，边梁段长2.96 m，梁段间（包括顶板U肋及板条肋）均采用焊缝连接。

 横隔板间距为5m，标准段横隔板厚为10 mm。拉索断面横隔板厚为12 mm。 

主梁宽45 m，采用抗扭性能较好的整体钢箱梁结构，单箱6室布置。

 钢箱梁梁高3m，顶板板厚16 mm，底板厚12 mm，腹板厚为20 mm。主纵膈板厚16 mm，次纵隔板厚10 mm（构造布置），顶、底板均采用U形加劲肋。材料采用Q345qD。

6.2拱肋

 拱肋跨径120 m，矢高52.5 m，矢跨比为1/2.286，拱轴线为二次抛物线。

 拱肋在桥面以上约20 m处分叉为两肢，并采用横撑连接，以提高桥塔的横桥向抗弯能力。拉索在拱肋上间距为2.75 m。

 拱肋为双箱型截面，全宽4.5 m，高2m，顶、底板厚30 mm，腹板厚25 mm，拱肋根部处顶、底板及腹板局部加厚。

 拱肋与拉索锚固采用耳板型式。拱肋断面布置图见图5。

6.3拉索

 拉索采用空间交叉扭转双索面形式。索体采用符合GB/T 5224-2003《预应力混凝土用钢绞线》标准的1x7钢绞线为斜拉索，钢绞线标准强度1 860 M Pa，低松弛高强度，锚具采用GJM7型。斜拉索在主梁顺桥向标准水平索距为5m，拱肋锚跨水平索距2.75 m，全桥共有斜拉索11对。索梁、索拱锚固均采用耳板连接方式。吊索张拉通过索体自身调整装置实现。

6.4拱脚

 由于拱肋自重及吊杆力作用，拱脚基础承受较大的水平力。因此，宜选择承载能力大、抵抗水平力及抗弯较强的基础形式。

 拱脚基础采用16根ф1.5 m钻孔灌注桩，桩长22 m，按摩擦桩设计。

7结构分析

7.1结构计算模型

 计算分析采用有限元软件MIDAS Civil 2013，全桥共划分186个单元，其中梁单元144个，桁架单元22个。桥面箱梁及拱肋采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。结构总体计算模型见图6。

 计算中考虑恒载（自重、二期恒载、斜拉索力）、汽车荷载、人群荷载、温度梯度、整体温度、基础变位、风荷载等，荷载按照规范要求进行组合。

7.2稳定性验算

 根据计算结果，拱肋屈曲稳定系数λ=3 2.8；裸拱屈曲稳定系数λ=77.8，满足规范要求（见图7）。

7.3拱脚桩基承载力及位移验算

 拱脚位置轴力约12 000 k N，竖向反力约9 800 k N，水平推力约8 000 k N，弯矩29 500 k N．m。主梁在承载能力基本组合作用下，桥台单个支座最大竖向反力4 019 k N。

 经验算，拱脚桩基单桩反力最大1192 k N，最小50 k N。

 采用桥梁博士3.1.0“多排弹性基础计算”验算单桩桩顶水平位移，地面桩柱变位：水平位移=0.004 3 m<6 mm，桩基位移满足规范要求。

7.4拱肋强度、刚度验算

 根据计算结果，在荷载标准值组合作用下，拱顶最大应力为129 M Pa，拱脚最大应力为

136 M Pa，拱肋强度满足规范要求。

 拱肋在荷载标准值组合作用下，最大位移与最小位移之和为82.3+75.4=157.7 mm<L/600=200 mm（L为拱肋跨径，120 000 mm），拱肋刚度满足规范要求。

7.5主梁强度、刚度验算及预拱度设置

 按荷载标准值组合计算得主梁最大应力为62.8 M Pa，主梁强度满足规范要求。

 在活载作用下，主梁主跨跨中向下挠度为69 mm<L/600=133.33 mm（L为主梁跨径，80 000 mm）。主梁刚度满足规范要求。

 主梁在恒载+活载作用下，主梁主跨跨中向下挠度为288.0 mm>L/1600=50 mm，根据规范要求应设置预拱度。主梁预拱度值为结构重力+0.5静活载产生的竖向挠度之和。根据计算结果，本桥跨中位置向上设置240 mm预拱度，预拱度线形由中心向两侧按抛物线过渡。

8结语

 1)该桥结构新颖，造型别致，在桥型设计中，创新地设计为背扭式斜拉的斜跨钢拱桥。

 2)本桥主梁采用自重较轻的钢箱梁，不仅减轻斜拉索和拱肋的承载负担，同时减小拱脚水平推力，有效降低建筑高度。 ．

 3)本桥拱肋采用较大的矢跨比，从构造上，利于保证行车限界；受力上，减小水平推力。

 4)拱肋在桥面以上约20 m处分叉为两肢，有利于提高桥型在视角上的轻巧感，也便于拱肋灯光效果的营造，以达到整体景观效果。