新桥大桥设计技术特点及创新分析

窦巍，张浩 ，张家玉

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概述

济祁高速三觉互通连接线工程位于安徽省淮南市寿县，西接济祁高速三觉互通，横穿新桥国际产业园，东连新桥大道，是新桥国际产业园及沿线乡镇交通出行的重要载体，项目路线全长11.8km，采用双向六车道一级公路建设标准，其中特大桥——新桥大桥，为本项目节点工程。

2 桥型选择及桥跨布置

新桥大桥全长726m，桥跨布置为：10×30 m（预制箱梁）＋150m（斜跨拱桥面系跨径）＋9×30m（预制箱梁），主桥一跨越规划江淮运河河道，主桥为斜跨钢箱拱桥，主梁桥面系跨径为150m，钢箱拱跨径170m，拱肋矢跨比为1/2.618（0.3819）。拱肋断面采用钢箱断面，断面尺寸为7m×3.8m；主梁由边纵梁及正交异性钢桥面板组成。横梁中心高3.3m，边纵梁高2.935m（图1）。

图1 主桥立面布置图

主桥横断面布置：0.5m（护栏）＋5.5m（混行辅道）＋4.1m（吊索区）＋14.5m（机动车道）＋0.5m（护栏）＋14.5m（机动车道）＋4.1m（吊索区）＋5.5m（混行辅道）＋0.5m（护栏），全宽49.7m（图2）。

图2 主桥平面布置图

基于本项目总体概念设计的特点，在调研国内外同类桥型的优缺点基础上，在局部构造设计中，进一步作出创新，包括斜拉式主拱理论拱轴线设计方法、锚拉板式吊杆锚固方法、基于M法的桩拱梁协同受力分析、基于BIM技术的三维正向设计、主拱圈分段式转体施工工艺。

3 项目关键技术及创新点

本项目设计中主要存在的难点：桥梁与河道斜交，整体景观控制难度大；斜跨拱拱轴线设计不同于传统拱桥，受力机理介于拱桥与斜拉桥之间；本桥吊杆受力机理更接近斜拉桥，吊杆锚固方式需综合二者优点；斜跨拱为有推力拱，在软弱地基中基础设计难度大；节点设计空间特性明显，关键构造三维放样难度大；拱圈整体高度较高，支架搭设难度大。为解决以上设计与施工难题，针对本桥的建设，研发了基于视角分析的斜桥正做总体概念设计、斜拉式主拱理论拱轴线设计方法、锚拉板式吊杆锚固方法、基于M法的桩拱梁协同受力分析、基于BIM技术的三维正向设计、主拱圈分段式竖向转体施工工艺等关键技术。

3.1 基于视角分析的斜桥正做总体概念设计

本桥在方案设计阶段进行了多轮汇报，基本确定采用拱桥方案，通过拱形结构形成“门”式造型，以满足本项目作为区域门户的理念。但由于路线与规划航道斜交角度过大，经分析，本桥的主要景观视角为航道行船视角和堤顶行人行车视角，在视角分析的基础上，将拱圈做成斜跨拱，这样就将一座斜桥做成了正桥的效果，从主要视角上来看，主拱效果端正，契合了区域发展理念。

3.2 斜拉式主拱理论拱轴线设计方法

基于本桥采用斜跨拱方案，部分吊杆倾斜角度较大，由于行车道净空范围的影响，吊杆基本都锚固在拱顶范围，且吊杆力差别较大，拱圈受力规律与传统拱桥大为不同，受力特性介于拱塔斜拉桥与传统拱桥之间，不能单纯采用传统拱轴线计算方法。本桥在确定拱轴线方程时，以传统拱轴线设计理论为基础，综合考虑了斜拉桥合理成桥索力及倒拆正装理论，成功推导出本桥合理拱轴线，优化了拱圈尺寸，最大幅度地节约了工程造价。经计算，本桥合理矢高为64.93m，矢跨比为1/2.618，理论拱轴线方程为：

Y

=-1.11498ex-2.47683ex-2.24469ex-1.7334ex-0.017065x-0.014578x+64.93

3.3 锚拉板式吊杆锚固方法

本桥的吊杆在顺桥向和横桥向均有不同的倾斜角度，且每根吊杆倾角均不相同，采用传统吊杆锚固方式，基于钢纵梁内空间较小，锚固及张拉难度较大，且后期不便于吊杆锚头的检修更换，存在一定的管养风险。考虑到本桥的吊杆受力特性更为接近斜拉桥，因此借鉴了钢箱梁斜拉桥拉索锚固方式，将锚拉板构造移植到斜跨拱桥中，既满足结构受力需求，同时吊杆张拉空间得到保证，后期检修及吊杆更换也较为方便。

3.4 基于M法的桩拱梁协同受力分析

本桥采用斜跨拱桥方案，无法采用常规的无推力系杆拱桥方案，因此设计采用了拱座结构平衡拱圈推力。但本桥地质条件较为一般，不能将拱座置于基岩上，设计需要考虑拱圈基础受力。本桥设计中，采用桩基础与拱圈、主梁整体建模的方式，基于M法合理推导桩基与土体之间的土弹簧刚度，合理考虑桩基与拱圈、主梁协同受力，准确模拟了本桥的全桥刚度。

3.5 基于BIM技术的三维正向设计

本桥设计中，对BIM技术的应用是由设计需求决定的。本桥吊杆布置空间角度复杂，导致拱上及梁上锚固构造较为复杂，传统的二维平面设计难以满足后期施工需要。因此，本桥设计中应用BIM设计方法，针对复杂的局部构造，采用了三维正向设计，设计成果一方面通过投影方法在图纸中得以展现，同时将BIM设计成果通过合适的方法移交施工及钢结构加工单位，确保了局部构造施工安装的准确性。

3.6 主拱圈分段式竖向转体施工工艺

主桥拱肋相对地面整体较高，且桥面系与拱肋斜交，搭设支架存在较大的安全隐患。因此，结合本桥的现场条件，采取三段式安装方案，现场搭设桅杆门架，两侧节段采用竖向转体施工方案，中间节段采用门架整体提升方案，大幅度提升了拱圈安装的工业化水平，降低了施工风险，提高拱圈结构质量（图3）。

图3 竖向转体施工设备

4 总结

本项目建成后，是安徽省境内目前跨径最大，桥面最宽的斜跨拱桥，同时也是安徽省近年来最为重要的引江济淮工程中首座建成通车的桥梁，为引江济淮工程的顺利推进奠定了基础。

安徽境内通航河流较多，受路网规划等方面的限制，大多数大跨径桥梁无法满足小角度或正交方式跨越河流，本桥的成功经验，一方面规避了斜桥正做需要大规模增大桥梁跨径规模的问题，同时这一桥型景观效果较好，适合城市景观提升需求。

基于本项目的多项研究成果：锚拉板式吊杆锚固方法、基于M法的桩拱梁协同受力分析、基于BIM技术的三维正向设计等技术，可广泛应用于同类拱桥设计中，大幅度提升同类桥梁结构的设计水平和结构耐久性。