三跨連拱鋼結構景觀橋梁設計要點

晏樂群

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津300074

1 工程概況

吉林市環山大橋（深圳東路-新城大路）工程，南起新城大路，樁號K7 ＋265.517，向北依次跨越松濱路、松花江，繼續向北以高架形式依次跨越濱江南路、吉豐東路、龍豐線鐵路、城南街后與現狀環山街順接，樁號K9 ＋841.517。環山大橋主橋長度為375m，跨徑布置為（30 ＋155 ＋100 ＋70 ＋20）m，主橋標準橫斷面布置為：3.45m（吊索區，含吊索區欄桿）＋5.5m（人行道及非機動車道）＋0.5m（防撞護欄）＋16.25m（行車道）＋0.6m（防撞護欄）＋16.25m（行車道）＋0.5m（防撞護欄）＋5.5m（人行道及非機動車道）＋3.45m（吊索區，含吊索區欄桿），總寬為52.0m。河道按照Ⅳ級航道，航道凈寬要求不小于100m，航道凈高要求不小于8m，采用三跨過河，其中通航跨為155m。

主橋結構形式采用新穎獨特的三連拱方案，為異形提籃式中承式拱橋，是同類橋型中跨度最大的景觀拱橋，效果圖及橋型總圖布置見圖1、圖2。該橋主梁采用正交異性橋面板整體鋼箱梁，拱肋采用矩形斷面；主跨吊桿采用斜向江中央布置，梁上標準間距為12m；下部結構采用圓端形拱座，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎。其中155m主跨矢跨比為1／2.2、100m 跨為1／2.9、70m 跨為1／3.85。邊跨拱肋與中跨拱肋保持在一個平面內，橫向傾斜度1∶3.732，傾角15°。主跨兩片拱肋之間設置“一”字撐使其連成整體，形成強大的側向抗彎剛度以抵抗橫橋向的風荷載，增加整體穩定性。加勁梁通過吊桿或拱間橫梁支承于拱肋之上，155m 主跨主梁與斜腿固結，令橋跨橋面梁形成系桿結構，平衡部分拱腳產生的水平推力，其余均支撐在拱間牛腿上。加勁梁在牛腿上設置豎向支撐，在梁拱間設置橫向支座，以抵抗風荷載及橋梁扭轉作用。按照造型需要，最大主拱拱軸線朝一側傾斜，為優化主拱的受力狀況，主跨吊索斜置，可使拱軸線更接近壓力線，節省用鋼量［3］。

圖1 環山大橋效果圖Fig.1 Renderings of Huanshan bridge

圖2 主橋橋型布置Fig.2 Layout of main bridge type

2 主要結構設計細節

2.1 橋面系

主橋加勁梁采用正交異性橋面板全焊鋼箱梁。根據構造及施工架設的需要，主梁沿縱向主要劃分有22 種梁段。標準鋼梁頂面寬52m，單箱八室截面，箱室頂板設1.5%的橋面橫坡，箱室底板水平，板寬42m，橋梁中線處梁高3.0m。吊索在鋼梁上橫向間距為49.4m。標準節段加勁梁頂板厚16mm，底板厚14mm；車行道部分橋面板采用U 型加勁肋，高300mm、鋼板厚8mm，錨腹板、中腹板均采用球扁鋼加勁肋，規格160 × 11 型，其中中腹板板厚采用14mm，錨腹板加厚至30mm；橫隔板間距4.0m，厚14mm。

2.2 拱肋及風撐

主橋拱肋由橋面兩側拱肋組成，鋼箱拱肋采用三維曲線造型，其中兩側主拱肋向橋面內側傾斜，并在拱頂設置三道風撐，以增加主拱肋的穩定性；兩個次拱肋也朝橋面內側傾斜，傾斜角度比主拱肋稍小，且不需要設置風撐即可滿足受力要求，有更好的景觀效果。拱肋選用全焊等寬矩形鋼箱型截面，截面寬度均為3m，其中除拱腳部分拱肋采用變高度外，其余拱肋均為等高段。155m主跨拱肋等高段截面高度4.5m，頂、底板厚度40mm，腹板厚度30mm；100m 跨拱肋截面高度3.5m，頂、底板厚度30mm，腹板厚度20mm；70m跨拱肋高度為2.5m，頂、底板厚度30mm，腹板厚度20mm；鋼箱拱內部設置縱、橫向加勁鋼板。拱肋普通隔板厚度為20mm，吊點隔板厚度為30mm。主跨拱肋頂底板設五道縱向加勁肋，加勁肋高度為360mm、厚度為30mm，加勁肋間距為500mm，腹板縱向加勁肋高度為360mm、厚度為30mm，加勁肋間距在750mm～500mm 間變化?？v向加勁板肋在吊桿隔板處與其焊接連接，在普通隔板處連續通過。節段內吊桿錨墊板通過承壓板座在外徑為260mm 的錨管上。管與隔板間為部分熔透等強焊接。

155m主跨鋼箱拱肋間設置箱形“一”字型橫撐，“一”字橫撐截面寬度為2.5m，高度為3.0m，橫撐頂底板板厚30mm，腹板厚20mm。拱肋在橋面以下均采用混凝土結構，為保證景觀要求，鋼與混凝土段斷面采用平齊構造，且考慮到鋼結構的耐久性，鋼混結合段設置在洪水位以上。鋼混結合段分為鋼結構剛度過渡段及鋼包混凝土段，兩段以60mm厚承壓板為界線，鋼包混凝土段設置PBL 剪力鍵及預應力筋，使鋼拱內力更好地傳入混凝土。為了便于施工，在節段間主拱箱板的連接采用熔透焊接，縱向加勁肋的連接采用高強度螺栓栓接。鋼拱肋標準斷面構造如圖3 所示。

圖3 拱肋標準斷面Fig.3 Standard cross section of arch ribs

2.3 吊索布置

主跨共布置9 對吊索，梁上間距12m，吊索與主拱軸線在一個平面內。為優化主拱的受力狀況，吊索沿拱平面向河中傾斜，傾斜角度為39.3°～82.2°。吊索采用環氧涂層鋼絞線吊索體系，型號為?15.2 -37、?15.2 -31，鋼絞線抗拉強度采用1860MPa，其兩端均采用復合冷鑄錨，拱頂采用錨管式錨固，梁上設置錨拉板，吊索在橋面處張拉。

2.4 伸縮縫

主跨側主橋與引橋聯間墩處采用160 型單元式多向變位梳形板伸縮縫，主橋與北側引橋聯間墩處采用240 型單元式多向變位梳形板伸縮縫，155m主跨與100m中跨間伸縮縫采用480 型單元式多向變位梳形板伸縮縫。伸縮縫預留槽內澆注補償收縮型混凝土，混凝土內摻加鋼纖維，摻量與橋面鋪裝混凝土相同。

2.5 支座

Z17＃墩155m 跨拱梁結合處牛腿設置2 個550t球形鋼支座和2 個500t球形鋼支座，Z17＃墩主橋100m 跨拱梁結合處以及Z19＃墩牛腿設置2個900t 球形鋼支座，Z15＃聯間墩設置4 個500t球形鋼支座，Z20＃聯間墩設置4 個400t球形鋼支座。本橋抗震設計采用彈性設計，對支座的水平承載力要求較高，選用的是高水平承載力的鋼支座。在相應的拱梁相交處設置橫向支座，支座選用四氟板板式橡膠支座。

2.6 拱座

拱座結構是連接中跨拱肋、邊跨拱肋、斜撐的重要節點，同時又是上部鋼結構與下部混凝土承臺和基礎的重要連接節點。該節點眾多結構、眾多力系交匯，結構受力及結構構造錯綜復雜，是設計的關鍵節點。拱座設計采用鋼筋混凝土拱座，分為上下兩個部分?？紤]主拱的立面景觀效果，上拱座外側與主拱平面平齊布設，其混凝土實體部分隱藏在拱肋內側。下拱座順橋向下小上大、橫橋向上小下大，迎水面采用圓弧形。

2.7 承臺及樁基設計

每個拱腳下設置獨立承臺，同一個墩位上兩個承臺用系梁連接，以平衡拱腳的橫向水平推力以及面外彎矩。本工程主墩基礎采用?1800mm鉆孔灌注樁，選擇中風化砂礫巖作為樁基持力層，樁基采用嵌巖樁設計。

3 指導施工方法

主橋墩位均處在河道及灘涂之中，考慮橋梁結構安全要求，承臺均埋置較深，因此要求主橋各墩位灌注樁、承臺采用鋼圍堰施工方法。主橋下部結構鉆孔樁采用沖擊鉆機成孔，垂直導管法灌注水下混凝土。承臺及拱座均按大體積混凝土要求施工。邊墩墩身采用整體鋼模板一次澆筑完成。

三角剛架區斜腿在支架上現場分段拼接，并在斜腿中設置勁性骨架以防止支架沉降對斜腿產生的不利影響；三角剛架區施工時，需設置臨時系桿［4］。

上部結構采用先梁后拱的施工方案，鋼梁可采用少支架法架設安裝，若施工期間要求通航，梁體也可采用頂推施工方法。鋼梁施工完畢后，在梁上進行鋼拱肋的安裝及吊桿的安裝張拉，最后進行橋面鋪裝及欄桿的附屬設施施工。

4 結語

吉林市環山大橋采用了三連拱的結構形式，通過采用精細的結構設計方法，使結構方案受力合理，更貼近景觀方案，并提供了可行的施工方案。該橋設計細節可為同類橋梁提供參考。