城市大断面钢系杆拱桥桥型整体构思及设计

李宗伟 ,陈涛 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088）

1 工程概况

随着科学技术及经济水平的不断发展，现代化城市的不断涌现，桥梁常常会成为一个城市的标志，人们对于城市桥梁的景观性也提出了更高的要求，除满足其正常使用功能外，对桥梁美学效果也在逐步加强。城市景观桥梁的建设已成为大多数城市发展必不可少的要素[1]。

阜阳市位于安徽省西北部，淮河以北，西部、西南部与河南省周口、信阳两市相邻，北部、东北部与亳州市相连，南部、东南部与淮南市、六安市为邻。阜阳市城市空间布局结构为“双核四轴，三区七片”。双核为依托现有城市中心发展起来的三角洲城市中心，和城南新区新崛起的双清湾城市中心；四轴是指东西向一主两副的城市发展轴，和一条纵贯南北的城市发展轴，城市发展轴将主要的城市中心和副中心等连接起来。三区七片是以目前的颍州、颍泉和颍东三个行政区为基础，将中心城区划分为相对独立、规模适中的七个城市片区，形成多中心组团式的空间发展格局，便于城市规划管理与建设引导。阜阳市路网规划图如下图1所示。本项目是东二环中的节点工程，对于二环的贯通意义重大。项目起点北接和谐路，向南跨越颍河、河滨路东路，南至莲花路，全长1934.344m。

图1 阜阳市路网规划图

2 方案设计

对于具有较高景观要求的城市桥梁，桥型的选择应重点考虑与周边环境的协调关系，针对于本工程而言，桥梁位于二环市内，景观要求极高。桥梁方案总体构思时，在确保道路通行的基本功能前提下，以“适用、安全、经济、美观、新颖”为原则，选用技术先进可靠、经济合理、施工方便可行、结构安全耐久的桥型方案，力求实现“一桥一景”的目的[2]。相比于斜拉桥，拱肋结构线条较柔和，桥面上的构筑物高度适中；相比悬索桥，拱肋比主缆更具有现代气息，与周围的环境更匹配[3]。最终选取方案为三跨飞燕式钢箱系杆拱桥，桥梁效果图见图2。

图2 阜阳市向阳路颖河大桥效果图

2.1 桥梁总体布置

主桥跨径布置为（47+148+47）m，主桥全长242m，为三跨梁拱组合体系桥梁。拱圈为双片钢箱拱。桥梁从立面上看为飞燕式造型，从横断面上看，配合风撑效果，呈门式造型。桥梁结构上，主跨与两侧边跨构成三跨连续梁拱组合受力体系，其中，主跨本身为下承式系杆拱桥，吊杆采用刚性与柔性组合系杆。桥型总体布置如图3所示，标准断面图如图4所示。

图3 桥型总体布置图（单位：mm）

图4 标准横断面图（单位：mm）

3 桥梁结构设计

3.1 拱圈

主拱圈采用二次抛物线形，矢跨比为1:4。边跨拱圈为为圆曲线形，拱脚位置处拱圈上、下缘线为二次抛物线与圆弧线的组合线型，靠近中墩处，上缘采用半径220m的反切圆弧对拱圈上缘线进行过渡，顺接至边跨；下缘采用半径125m的正切圆弧与顺接拱脚箱梁。中墩处采用镂空处理，局部采用小半径圆弧线进行过渡，拱圈构造总图如图5所示。

图5 拱圈总体构造图（单位：mm）

3.2 主梁

桥梁中跨桥面系采用正交异性钢桥面板结构形式。桥面板厚度为16mm，桥面板由5根I型小纵梁进行支撑，小纵梁梁高为1750mm，间距为5.1或5.7m，钢板厚度为20mm，横梁采用整板式的横隔板，横隔梁间距为3.0m。横梁厚度均为20mm。横梁与两侧主系梁通过高强螺栓连接。主桥边跨部分采用钢箱梁结构形式。主墩处梁高为5.5m，通过16m的二次抛物线过渡段，向边墩方向过渡至2.5m梁高。横桥向为单箱八室结构。箱梁内腹板均为厚度20mm的钢板，顶底板厚度均为16mm，局部加厚至24mm。纵桥向每隔4m设一道横隔板，横隔板为厚度12mm的钢板，高度为600mm。边跨及中跨断面图如下图6和图7所示。

图6 中跨标准断面图（单位：mm）

图7 边跨墩顶断面图（单位：mm）

3.3 吊杆

本设计吊杆要求具有可更换性。吊杆采用Φ 15-15环氧无粘结钢绞线整束挤压式吊杆体系。吊杆索直接承受来自组合梁的恒载及汽车、人群等活载。本桥吊杆沿桥轴水平向吊点标准中心距为6.0m。吊杆采用钢绞线整束挤压式拉索体系，采用HDPE护套索体，上、下端锚点均为穿销铰。考虑到疲劳、吊装及可更换性，吊杆索设计安全系数不小于2.5[4]。

3.4 施工方法

主桥上部结构采用先梁后拱的施工方案[5]，先进性两侧边跨钢箱梁的施工，再进行跨中主梁施工，以主梁为平台进行钢箱拱肋的施工，全桥构件均采用工厂预制，现场进行组装，逐一张拉吊杆[6]，以确保结构安全，主体结构施工简图如下图8所示。

4 整体计算

本桥整体计算采用桥梁通用有限元软件MIDAS进行计算，计算模型采用空间杆系模型，拱肋、主梁、风撑采用空间梁单元进行模拟，吊杆及系杆采用桁架单元模拟，拱脚和拱座出采用刚臂连接，支座采用一般支座进行模拟，结构整体有限元模型如下图9所示。

4.1 结构总体计算

结构总体计算荷载取值包括：结构自重、二期横载、活载（车道荷载及人行荷载）、支座不均匀沉降及温度荷载。主要构件的计算结果如下图所示。

图8 上部结构施工简图

图9 有限元整体计算模型

图9 使用阶段主拱应力（单位：MPa）

图10 钢系梁使用状态下应力图（单位：MPa）

根据计算结果表明，在使用阶段主拱最大压应力为178.1MPa，发生在拱脚位置处；最大拉应力为105.5MPa，发生在支座附近处。主拱肋受力较为均匀，处于受压状态在使用阶段钢系梁最大压应力为96.9MPa，发生在中支座附近。最大拉应力为105.2MPa，发生在中支座附近。钢系梁应力能满足强度要求。

4.2 结构动力计算

考虑到本桥位于位于城市主干路内，车流量较大，同时考虑桥面较宽，需保证一定的刚度，故提取结构的前5阶阵型，如下表所示。

全桥前5阶频率和阵型

根据表1计算结果表明，拱肋面内外阵型出现较早，反应出该桥横向稳定性问题较为突出，设计中采用风撑结构加强面外强度，同时该桥一阶拱肋横弯频率为0.575，超过一半单孔刚性拱桥（0.3～0.4）[7]，其余频率均超过1.0，表明该桥具有较好的竖向刚度指标。

5 结束语

向阳路颍河大桥作为阜阳市二环路的重点工程，具有较高的景观要求。通过对各种桥型的综合比选，该桥最终采用47m+148m+47m的飞燕式钢箱系杆拱桥，桥梁结构形式优美，立体空间强，有效的实现了桥梁结构与桥梁美学的统一，该桥结构整体计算表明桥梁的静动力性能均能满足要求。