衡阳清江大桥设计与研究

李中华 史鸣

摘要：衡阳清江大桥为主跨205m提篮式异型组合拱桥。采用组合琴拱桥理论，通过合理优化主拱轴线，减小了水平推力，节省了水平系杆；主拱采用提篮式钢管混凝土拱，充分发挥了组合材料的力学性能，提高了拱桥的横向稳定性；主梁采用波形钢腹板-桁架组合结构，桥面采用波形钢板组合结构，有效减轻了桥梁自重，提高钢桥面铺装的结构耐久性。衡阳清江大桥将为异型组合拱桥“轻质、高强、大跨”提供借鉴，是组合结构桥梁新的发展方向之一。

关键词：拱桥 钢管混凝土 波形钢腹板 钢桁 提篮拱 组合桥面

1 工程概况

主桥采用四肢中承式提篮系杆拱桥，主桥计算跨径205m，桥宽24.5m。拱肋由悬链线、圆弧线和直线组成，桥梁计算矢跨比1/4，悬链线拱轴系数为1.543。拱肋立面高度由拱顶3.5m渐变至拱脚6m，有效的增加了主拱刚度。每片拱肋采用4-φ800×14mm钢管混凝土组成桁式断

面。两片拱肋之间采用7道一字风撑连接。其主梁在国内创新性地使用波纹钢腹板和桁架式组合结构，将其纵梁设计为波纹钢腹板箱梁，横梁为三角形桁架式梁，充分发挥了波纹钢腹板和桁架，重量小、刚度大、变形性能好的特点。吊杆采用127根φ7高强钢丝，间距10m一道共计19对。结构美观大方。其桥型布置图如图（1）。

图1 桥型布置图图

2 .设计理念及特点

清江大桥大桥采用了多项新技术。清江大桥是首座拱-波-桁组合结构桥梁，主桥横跨衡阳蒸水河连接新旧城区，本桥不仅桥下通航且桥两岸均有行车公路，如何有效的减少现场作业，减少对通航及两岸公路行车的干扰是本桥设计中应该研究的问题。为此，本设计采用全组合结构，除拱梁固结点的帽梁采用现浇钢筋混凝土外，其余部分均可采用工厂制造，现场安装。实现了全桥无模板施工，适合现代桥梁建设对“轻型大跨、预制拼装、快速施工、关注环境”的要求。

2.1 设计要点

2.1 主拱的设计

通过方案的比较分析和对模型拱的反复试验研究，决定拱轴线采用悬链线、圆弧形和直线的组合形式[1]。拱肋立面变高，拱脚段灌C50微膨混凝土将整个拱脚做成实腹段（图2）。较传统悬链线拱肋而言，优化后的拱肋有以下优点：

1）、拱轴线与承台水平面夹角α为76?，改善了拱肋与承台连接面的受力形式，是有效解决基础承受巨大水平推力的措施之一。

2）、拱肋直接与承台固结，取消了传统拱桥的四棱台拱座，较大的减少了土方开挖量，节约了施工成本。

3）、拱肋从拱顶到拱脚立面变高，且拱脚采用实腹式拱脚，管间灌注C50微膨混凝土，显著地增加大了拱肋的刚度，从而提高了桥梁的稳定性。

4）、富有变化的拱轴线和截面形式更加美观大方，与环境更好的融合在一起，成为当地的一道靓丽的风景线。

图2 拱肋构造图

2.2 主梁的设计

大桥为体现“轻盈流畅，安装便捷”的设计理念，在主梁的设计上放弃了传统的钢筋混凝土箱型截面，而创新性地采用了新型波纹刚腹板-桁架组合结构。桥面板使用平铺波纹板厚浇C50混凝土，整板厚30cm。桥梁纵向采用波纹刚腹板箱型纵梁，板厚12mm，波高20mm，波长1000mm，箱宽1.2m；横梁采用φ400×14mm的鋼管桁架结构[2]。构造图如图（3）所示。

1）、波-桁的组合结构的采用使主梁高度由3m下降到2.05m，显著地改善了桥下的通航净高，也 使得桥梁显得更加美观、轻盈。

2）、普通钢筋混凝土箱型截面中，腹板占整个截面的30%，如何减轻腹板重量就成为减轻结构自重的关键，本桥中用波形钢腹板取代传统的混凝土腹板，波纹钢腹板直接与钢桁架焊接。不仅减轻了主梁自重，还省去腹板混凝土浇筑工序。

3）、波-桁组合结构在受力上较波纹钢腹板PC梁更加有利。由于波纹钢腹板及桁架均是钢材，结构的连接上直接焊接较传统波纹刚腹板与混凝土通过剪力键连接，传递荷载更加有效，结构变形更加协调，且连接处的局部应力过大的情况得到显著改善[3]。

图3.主梁构造图

2.3 拱梁固结（帽梁）的设计

拱梁相交的位置处设置肋间横梁，具有以下特点：（1）该位置是帽梁、水平系杆及主梁交合点，结构外形简洁，但受力十分复杂。（2）提高全桥的整体性，对抗风、抗震、改善行车振动均十分有利。（3）方便施工，节省了大型支座的安装，更换，有利于桥梁的养护[4]。

3.结构动力及稳定性分析

3.1 结构动力分析研究

钢管混凝土拱桥与我国传统的石拱桥和钢筋混凝土拱桥在材料性能、结构体系等方面都有着明显的差异，其抗震性能、车振性能等均有其自身的特点[5]，对其动力的分析研究十分必要。桥梁结构的动力特性是其动力性能分析的重要参数，它包括自振频率、振型及阻尼比等，反映了桥梁的刚度指标。它取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支承条件等，它对于正确地进行桥梁的抗震设计、车振分析及抗风稳定性分析等都有着重要的意义。

由于目前尚没有计算钢管混凝土构件动力特性的有效方法.在遇到这类问题时，一般将钢管混凝土换算成单一的组合材料（式3～6），首先计算出材料的弹性模量[6-7]。

（1）

平均比例极限应力

（2）

与 对应的比例应变

（3）

其中组合抗振强度标准值

（4）

套箍系数

其中

式中： 为钢管的屈服点； 为混凝土强度标准值； 为钢材的弹性模量； ， 分别为钢材和混凝土的面积.求得组合材料的弹性模量后，用常规的有限元方法按单一材料进行计算.

本桥采用其固有频率和与之相应的振动周期 （表1）表示其结构动力特性。

表1.清江大桥前六阶自振周期及频率

自振模态 周期（s） 频率（Hz）

1阶 2.3078 0.3673

2阶 3.3213 0.5286

3阶 4.0563 0.6456

4阶 5.0579 0.805

5阶 5.7072 0.9083

6阶 5.9859 0.9527

通过对该桥自振模态的分析研究及对比国内相关桥梁的一阶横向及纵向基频（表2），分析发现清江大桥的一阶振动模态同相近桥梁一阶振动模态形式相同均为横向拱肋面外对称振动。其一阶横向和一阶纵向振动基频正常合理，结构动力特性良好。清江大桥一阶振动模态见图4。

表2. 钢管混凝土拱桥横向和竖向一阶计算频率

桥名 跨度

（m） 结构型式 基频（Hz）

横向 纵向

莲沱河特大桥 114 中承式 0.59 1.04

深圳北站大桥 150 下承式 0.33 0.55

天津彩虹桥 160 下承式 0.40 1.04

九畹溪大桥 160 上承式 -- 0.6

三山西大桥 200 中承式 0.40 0.65

清江大桥 205 中承式 0.37 0.95

梅溪河大桥 288 上承式 0.20 0.45

图4.清江大桥一阶振动模态

3.2结构稳定性分析

主拱圈为压弯构件，存在稳定问题。大跨度钢拱桥稳定问题往往成为设计的控制因素。第一类稳定问题为平衡分支点失稳，第二类稳定为极值点失稳。工程结构不可能处于理想的中心受压状态，均属第二类稳定，但第二类稳定计算复杂。按第一类稳定计算被广泛用于工程领域，第一类稳定求得的临界荷载是第二类稳定极值点荷载的上限，其差值对不同结构有不同幅值，而且结构失稳突然，破坏性大，因此，按一类稳定计算时采用较大的稳定系数[8]。本桥在恒载作用下的稳定系见表（3）。

表3. 主桥使用阶段稳定系数

模态 1 2 3 4 5

特征值 21.85 25.25 39.55 44.52 46.79

4结 语

衡阳清江大桥采用了一系列新技术，并进行了深入的分析和试验研究，实现了“结构安全、美观大方、轻盈流畅、与自然和谐相处”的设计理念。钢管混凝土的拱和波纹钢腹板及钢桁架有机的结合在一起形成拱-波-桁组合桥梁结构体系。结构安全可靠、技术经济效益和社会效益十分显著，拱-波-桁组合结构的成功应用为今后组合结构桥梁的发展和创新起到重要的启发性作用。

参考文献

[1] 管乐，王炎 ，钢管混凝土桥拱轴系数的优化[J].四川建筑，2003.6.28

[2] 李勇，陈宜言，聂建国，等.钢-混凝土组合桥梁设计与应用[M].北京：科学出版社，2002：113-116.

[3] 李勇，聂建国，余志武，陈宜言.钢-混凝土组合梁刚度的研究[J].清华大学学报：自然科学版，1998，38（10）：38-41.

[4] 李勇，方秦汉，陈宜言，陈宝春，深圳彩虹大桥设计与研究[J].土木工程学报，2002.10

[5] 云迪，大跨中承式钢管混凝土拱桥静力及抗震性能[D].哈尔滨工业大学土木工程学院.2007

[6] 何伟，赵顺波，杨建中，大跨宽幅双提篮系杆拱桥动力特性及抗震性能[J]。振动、测试與诊断，2010，30（6）：630-633

[7] 陈水胜，陈宝春，钢管混凝土动力特性分析[J]，公路 2001.2

[8] 杨永春，钢管混凝土拱桥横向稳定性研究. [D]

西南交通大学土木工程学院，1998