汕头市金津大桥约束体系设计研究

汕头市金津大桥约束体系设计研究

王涛

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510000

摘 要：汕头市金砂东路金津大桥采用两跨高低不对称中承式拱桥方案，桥长 495m，跨径组合为 (25+195+250+25)m；主梁采用双边钢箱梁 +横梁组成纵横梁体系；拱轴线为空间曲线，拱肋采用八边形钢箱断面，拱肋“飘带状”造型是国内首创。为实现景观效果，桥面以下拱脚采用反弯曲线形态，无类似工程实例参考。为研究该桥结构受力特点，验证桥梁结构体系的合理性和安全性，本文提出了 3种可能的约束体系设计方案，并通过有限元计算分析，从主梁应力、拱肋应力、主墩内力、拱脚水平推力、主梁挠度等方面综合比选确定了该桥约束体系。 关键词：约束体系；中承式拱桥；异形拱；两跨非对称拱桥；金津大桥；设计

1. 概述

规划建设的金津特大桥是汕头站客运枢纽城市设计中的重要节点之一，建成后将成为片区标志性建筑之一。城市设计确定主桥采用两跨中承式拱桥方案，拱肋呈“飘带状”景观造型。

金津特大桥位于金叶岛上游约105m处，距离现状金津大桥约260m，距离外砂机场约5.5km，航空限高90m（85高程）。桥位处水面约250m，航道较顺直，主桥轴线法线与水流夹角约26°。金叶岛将航道分为左、右两汊航道，其中左汊河道宽约110m，右汊河道宽约90m。

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3. 结构设计

2.1 结构形式

（1）桥型方案

金津大桥主桥长495m，跨径组合为(25+195+250+25)m，桥宽32.5m，采用中承式拱桥方案。因桥梁处于路线R=1500m的平曲线上，不考虑张拉柔性系杆。

图1 金津大桥桥型布置图

（2）主梁

主梁采用双边钢箱梁，正交异向钢桥面板，主梁外边缘梁高2.2m，中心处梁高2.525m，梁顶宽32.5m。边箱梁为梯形，箱顶宽5.9m，箱底宽6.78m，根据不同节段受力情况，边箱梁顶板厚14mm、24mm、40mm、55mm，相应底板厚度分别为20mm、24mm、40mm、55mm，对应腹板厚度分别为14mm、20mm、36mm、50mm。桥面板每隔3m设置一道横梁，为加强纵向传力，设2道通长小纵梁。

图2 金津大桥横断面布置图

（3）拱肋

主拱呈飘带状景观形态。拱轴中心线为空间曲线，计算跨径为195m和250m，矢高分别为69.6m（桥面以上48m）和81.6m（桥面以上60m），矢跨比分别1/2.8和1/3.1。主拱为八边形钢箱拱，拱顶箱高2.5m，宽3.0m，8#拱脚箱高4.5m，宽5.4m，10#拱脚箱高5.0m，宽6.0m，9#拱脚箱高5.75m，宽7.8m。桥面以上拱肋壁板厚度为26～32mm，桥面以下拱脚壁板厚度为45～80mm。

（4）吊杆

吊杆采用标准强度为1860MPa钢绞线整束挤压拉索，纵向间距为9m，每断面共2根拉索，左右两侧各1根，全桥共62根。

（5）下部结构及基础

水中9#墩处拱脚与圆柱形桥墩固结，墩柱外壳为钢结构，直径为7m，内灌C50微膨胀混凝土，每处拱脚下设置9根D280cm桩基，按嵌岩桩设计。8#、10#边拱脚与拱座固结，拱脚范围灌C50微膨胀混凝土，每处拱脚下设置9根D250cm桩基，按嵌岩桩设计。各承台均通过系梁横向连接，并在系梁内施加预应力以抵抗横桥向水平推力。

2.2 约束体系

在满足主拱线形光滑连续前提下（即拱肋曲线全桥无折角或突变），提出以下3个约束体系方案进行比选分析。

方案一：拱梁节点、拱墩（承台）节点均为固结，在8#和10#墩附近的拱跨侧主梁上设隐形铰，释放轴向和竖弯2个方向的约束，通过纵向阻尼器限制纵桥向位移。

图3 主桥约束体系布置示意图（方案一）

方案二：拱梁节点、拱墩（承台）节点均为固结，主梁作为刚性系杆。

图4 主桥约束体系布置示意图（方案二）

方案三：拱梁节点均为固结，主梁作为刚性系杆，拱墩（9#墩）节点处固结，拱承台（8#、10#墩）节点处设置顺桥向活动支座，释放拱脚纵桥向水平推力。

图5 主桥约束体系布置示意图（方案三）

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4. 结构计算分析

3.1计算模型

通过MIDAS/Civil 2020有限元软件进行了施工阶段及成桥状态的静力分析。

计算中考虑以下设计荷载：结构自重及二期恒载、收缩徐变、不均匀沉降20mm、汽车荷载（含冲击力）、制动力、风荷载、整体升降温30℃、温度梯度：索梁、拱梁温差15℃；主梁温度梯度参考《钢桥、混凝土桥及结合桥》(英国标准学会，BS5400)采用，取T1=24℃、T2=14℃、T3=8℃、T4=4℃。

3.2计算结果

根据2.2节的3个约束体系方案分别建立有限元模型进行计算分析，从主梁应力、拱肋应力、主墩内力、拱脚水平推力、主梁挠度等方面比选研究，计算结果如下。

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2. 主梁应力

图6 恒载作用下主梁应力图

恒载作用下，三个方案的主梁应力分布规律大致相同，其中方案三主梁应力水平最大，方案一主梁应力水平相对较小；方案二大拱跨处主梁近似全截面受压；9#墩无吊杆梁段呈现连续梁应力特点，跨中下缘拉应力和拱梁固结处上缘拉应力控制设计，方案三应力峰值已接近200MPa。

图7 汽车荷载作用下主梁应力图

汽车荷载作用下，三个方案的主梁应力分布规律大致相同，应力水平相当，主梁上下缘最大应力出现在大拱跨梁段，应力约45MPa。

图8 整体升温作用下主梁应力图

整体升温作用下，三个方案的主梁应力分布差异明显，其中方案三因释放了拱脚纵桥向约束，可适应温度引桥的纵向变形，主梁温度应力近乎为零；方案一拱脚处固结，主梁上设无轴力铰，可释放部分温度力，主梁应力较小；方案二主梁和拱肋纵桥向变形被约束，温度次内力明显，主梁最大应力约60MPa。

综上对比分析，方案一主梁拉应力较方案三小，压应力较方案二小。从主梁应力方面看，约束体系方案一相对较优。

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3. 拱肋应力

图9 恒载作用下拱肋应力图

图10 汽车作用下拱肋应力图

图11 整体升温作用下拱肋应力图

由上图可知，三个方案的拱肋应力分布规律大致相同，8#~10#拱脚截面应力最大，是控制设计的关键。方案二的温度应力明显大于其他方案，作用基本组合下的8#和10#墩拱脚应力由小至大顺序为方案一（-262MPa）＜方案二（-271MPa）＜方案三（-297MPa），9#墩拱脚应力由小至大顺序为方案二（-206MPa）＜方案一（-217MPa）＜方案三（-235MPa）。

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4. 主墩内力

基于三种约束体系方案，提取作用基本组合的墩顶和墩底内力如下表所示：

表1 作用基本组合下9#墩顶轴力和剪力（kN）

表2 作用基本组合下9#墩顶弯矩和扭矩（kN·m）

表3 作用基本组合下9#墩底轴力和剪力（kN）

表4 作用基本组合下9#墩底弯矩和扭矩（kN·m）

由计算结果对比可知，①纵（横）桥向不平衡水平推力（即剪力-z）：方案三＜方案一＜方案二；②顺桥向弯矩（即弯矩-y）：方案二＜方案一＜方案三；③横桥向弯矩（即弯矩-z）：方案一＜方案二＜方案三；④扭矩：方案三＜方案一＜方案二。

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5. 拱脚水平推力

基于三种约束体系方案，提取作用基本组合的8#墩及10#墩拱脚的水平推力如下表所示：

表5 作用基本组合下8#墩及10#墩拱脚的水平推力（kN）

计算结果显示，三个方案的横桥向水平推力基本相当；方案三无纵桥向水平推力（计算水平位移约320mm），方案二拱脚纵桥向水平推力是方案一的2倍。

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6. 主梁挠度

基于三种约束体系方案，提取作用标准组合的主梁竖向挠度如下图所示：

图12 作用标准组合下主梁挠度

计算结果显示，方案二体系刚度最大，主梁竖向挠度最小，方案三主梁竖向挠度最大，方案二介于两者之间。

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5. 结语

金津特大桥采用两跨高低不对称中承式拱桥方案，景观造型优美，但结构受力复杂。通过对桥梁约束体系方案的比选研究，初步形成以下结论：

（1）综合主梁应力、拱肋应力、主墩内力、拱脚水平推力、主梁挠度等方面的比选分析，方案一（即拱脚固结，主梁设置无轴力铰）相对较优。

（2）桥梁为平面弯桥，方案二的刚性系杆效果不佳。受制于景观造型要求，拱梁均采用固结方式，导致温度次内力最终传导至拱脚，造成了水平推力大大增加，这无疑增加了基础设计难度，且不经济。

（3）方案三考虑在拱脚设置大吨位支座，通过释放纵桥向约束以实现拱脚无推力。但计算结果揭示拱脚处弯矩和顺桥向位移均较大，支座构造设计难度大，且后期支座养护和更换较困难。此外，纵桥向地震作用仅由主墩承担，相关抗震验算分析和抗震构造措施有待进一步研究。

参考文献：

[1] 黄侨，王宗林，李广义，等.异型拱结构的设计方法［J］.东北公路，1994（3）：50-54.

[2] 魏乐永．拱式结构体系研究［D］．上海：同济大学，2007．

[3] 阳发金．大跨度不对称钢管混凝土拱桥受力特性研究［D］．长沙:中南大学，2007.

[4] 贺栓海.桥梁结构理论与计算方法[M].人民交通出版社.

[5] 谢肖礼，覃霞，欧阳平，等.提高拱梁固结拱桥刚度的有效方法［J］.同济大学学报（自然科学版），2019（6）：747-754.

[6] 李乔，李丽.异型拱桥结构内力分析［J］.公路交通科技，2001，18（1）：31-35.

[7] 肖汝诚．桥梁结构体系［M］．北京：人民交通出版社，2013.