莫朝庆

（湖南大学设计研究院有限公司，湖南长沙 410082）

1 概述

梁拱组合桥是一种特殊形式的拱桥，兼有拱桥和梁桥的特点，与通常的拱桥和梁桥相比，其具有对地基适应性强、建筑高度低等诸多优点，在跨径60～200 m 的范围内是一种极具竞争力的桥型[1]。

该桥位于常德市穿紫河水系的姻缘河上，为穿紫河水系与“中国城市第一湖”——柳叶湖水系连通的关键性景观节点之一，其景观性要求较高。

同时，在道路改造时全线设置了城市综合管沟，为确保全线管沟贯通，桥梁结构必须考虑管沟的通行。桥梁在断面形式、跨度及梁高设置方面均需考虑其影响。

经过方案比选及优化，本桥桥型采用新颖的双提篮梁拱组合桥，全桥横桥向为一幅整体结构，跨宽比为1.77＜2.0，为超宽桥面结构[2]。综合管沟从桥梁中间穿过，在保证结构功能的同时兼顾景观效果，夜景效果见图1。

图1 夜景效果图

2 设计概况

2.1 设计荷载

汽车荷载：城-A 级；人群荷载：3.5 kPa。

2.2 总体设计

桥梁结构总长 150 m，为三跨预应力混凝土连续梁拱组合体系，跨径组成为 35 m+80 m+35 m。桥面宽 45 m，横桥向为一幅，单箱 11 室结构。拱肋采用钢管混凝土，理论计算跨径 L=80 m，计算矢高f=16 m，矢跨比为 1/5。

为确保综合管沟能在桥体内顺利通行，预留桥梁中间三室为管沟通道，见图2。为方便后期的维护和检修，主梁跨中截面高 2.6 m，支座处截面高3.6 m，横隔板处通行最小净高不小于 1.2 m。

图2 桥梁跨中横隔板处综合管沟断面（单位：cm）

2.3 横断面布置

全桥总宽 45 m，横坡 1.5%，桥面横向布置为2.5 m（人行道）+3.5 m（非机动车道）+5.25 m（绿化区+拱座区）+0.5 m（安全距离）+3× 3.5 m（机动车道）+0.5/2（双黄线区），左右对称，见图3。其中，箱梁中间三孔为综合管廊通行空间。

图3 桥梁横断面（单位：cm）

2.4 桥型设计构思

常规的提篮拱桥常采用两片拱往中间倾斜，两片拱中间设横向风撑将两者连成一有机平衡的整体。同时每片拱上均安装吊杆，形成主受力体系。该桥设计时，考虑到全桥横向宽度较大达 45 m但主跨跨度仅为 80 m，长宽比例很小仅为 1.78，如采用常规提篮拱做法则横向风撑较长且对桥面的压迫感十分明显，景观效果差，难以满足城市景区的要求。设计时，考虑将两片拱分开，做成两个独立的自平衡提篮拱，桥面上视野开阔，行车舒适感强。

主梁采用变高连续梁，梁底曲线与主拱线型互相呼应，形成一道优美的空间曲线。梁高充分考虑箱梁内综合管沟人员的通行，保证最小通行高度。

2.5 构造设计

拱肋采用钢管混凝土结构，主拱跨径 80 m，矢高 16.0 m，两片拱肋中心间距 28 m；提篮拱拱肋纵向竖偏角为 4 °。拱肋采用哑铃式断面，高 1.5 m，肋板宽 0.3 m，钢管直径为 0.5 m，钢板厚均为14 mm。拱肋间横梁采用矩形钢箱梁截面，宽0.5 m，高 0.8 m，采用 20 mm 厚钢板焊接。吊杆间距为 5 m，一片拱肋共计 15 根吊杆。采用 OVM.GJ15-19 型钢绞线整束挤压吊杆成品索。

主梁采用现浇预应力变截面连续箱梁，单箱11 室截面（中间三室同时为综合管廊通道），根部梁高 3.3～3.64 m（横坡 1.5%），跨中和边支座处梁高 2.3～2.64 m。主梁纵向和横梁处均设置预应力钢筋。

考虑桥面横向宽度达 45 m，拱肋中心间距28 m，在每个拱座下方设置三个桥墩，每个墩上布置两个支座，有效减小桥梁的横向受力宽度，确保结构受力合理。

2.6 施工工序

本桥采用“先梁后拱”法施工，主要步骤如下：

（1）施工桩基础及下部结构；

（2）满堂支架法施工主梁；

（3）张拉 70%的预应力钢筋；

（4）在主梁上搭设支架，吊装拱肋；

（5）拱肋内混凝土浇筑；

（6）张拉余下的 30%预应力；

（7）安装吊杆并张拉调试，拆除支架；

（8）施工桥面系及附属结构。

其中：主梁混凝土由于面积太宽，混凝土浇筑量较大，施工时设置了后浇带，确保施工过程中水化热能及时释放，见图4。

图4 后浇带设置示意图（单位：cm）

主梁预应力张拉分为两批，第一为 70%的预应力，张拉完后确保在主梁上施工主拱的构件时其有一定的应力储备，待钢管混凝土压浆完后，张拉余下的 30%预应力，通过预应力产生的效应平衡主拱由于自重作用下产生的水平推力和自重作用下产生的竖向挠度。

3 结构分析及支座优化设计

3.1 有限元模型建立

全桥有限元分析运用 MIDAS/Civil 2011 软件建立全桥的空间结构模型，见图5。由于桥面较宽且为空间受力，整体计算采用空间杆系理论，采用梁格法进行计算。模型全桥横向共分为 12 片纵肋，横向刚度通过虚拟横梁等效实现；拱肋钢管和钢管内混泥土通过两单位共节点方式实现，不考虑钢管的套箍作用；吊杆采用桁架单元模拟[3]。

图5 有限元计算模型

施工阶段分析尽量模拟施工过程中结构的实际受力情况，拱肋压浆过程采用先计算其湿重下一阶段才考虑混凝土和钢共同受力。

3.2 计算分析及支座优化设计

3.2.1 支座布置优化设计

根据结构构造及受力特征，中支座共考虑三种布置形式（见图6、图7），具体为：

方案一：每片拱脚下方布设一个支座；

方案二：吊杆下方及跨中各布设一个支座；

方案三：每片拱脚下方布设一个，跨中两个。

图6 支座布置示意图（单位：cm）

图7 三方案支座受力分析图

方案一为常规拱桥的布设方案，但由于桥面超宽支座受力严重不均匀；方案二结构受力较方案一改善较大，但支座不均匀受力明显。方案三通过支座间距的合理调整后，各支座受力均匀合理，差值不超过 10%。对于桥面较宽结构，通过支座的合理布置来调整结构的传力途径，以优化结构受力十分必要。

3.2.2 特征值分析

自振频率分析采用空间向量法的子空间迭代法，迭代次数取 30 次。自振频率和振型见表1、图8。

表1 自振频率表

图8 一阶自振模态（横桥向）

由上述可知，桥梁的基频为 2.11 Hz，周期0.47s，前三阶振型均为拱肋一阶横弯，至第四阶为主梁竖弯振型，充分体现该桥“强梁弱拱”的受力模式，主梁整体刚度较大，拱刚度相对较弱。

3.2.3 稳定分析

采用空间模型对结构进行屈曲分析，计算结构表明，使用阶段结构的一阶失稳表现为拱肋横向侧弯，临界荷载系数为 5.56>4，满足规范要求，见图9。

图9 一阶失稳模态

3.2.4 成桥状态下受力状态

成桥状态下主梁、主拱受力见图10～图13。

通过纵向预应力筋的合理布置，主梁纵向均处于受压状态；主拱钢管的应力最大值为 166.8 MPa，应力水平合理并有一定的储备。

图10 主梁应力图（均受压）

图11 拱肋钢管应力图（最大压应力为 166.8 MPa）

图12 吊杆横梁（左侧为拱脚处，右侧为跨中处）

图13 吊杆轴力（最大为 1 709 kN）

吊杆的设定索力为 1 500 kN，吊杆通过主拱所传递竖向力所占比例约为 33.5%（总吊杆力/总支座力=30×1 500/135 000）。由图13 可知，最大索力约为 1 700 kN，内力增幅较小，是“强梁弱拱”体系的一典型特征。

由图12 可知，通过合理确定吊杆内力，同时布置横向预应力，在吊杆间距达 28m 的情况下，横梁为全预应力构件。但吊杆的内力必须在一合理的范围之类，且必须考虑跨中和根部横梁高度的差异。

汽车活载作用下，主梁的最大竖向位移为4.14 mm，主拱的竖向位移为 2.06 mm，活载与恒载相比所占比重较小，见图14、图15。

图14 汽车荷载主梁位移图（4.14 mm）

图15 汽车荷载主拱位移图（2.06 mm）

对该类超宽桥面提篮拱桥的设计，主拱的传力比例（即吊杆力力）必须引起重视，取值太高横向受力易控制桥梁设计；取值偏低，拱对梁的辅助作用降低。设计时，宜通过试算确定且宜以纵向控制设计。

4 结语

梁拱组合桥梁作为一种新颖的受力结构，将梁受弯和拱受压的特性有机地结合起来，在一定跨度范围之内具有很强的竞争力。本桥采用新颖的双提篮拱结构体系，对解决城市超宽桥面且“长宽比”较小桥梁的景观问题是个有益的尝试，并通过空间分析计算论证其可靠性。同时，通过合理的结构构造措施实现桥梁与城市综合管沟有机统一，既经济又美观，对同类桥梁的设计有一定的参考和借鉴作用。

[1] 金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践[M].北京:人民交通出版设,2001.

[2] 姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

[3] 戴公连,李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京:人民交通出版社,2001.