三跨连拱钢结构景观桥梁设计要点

晏乐群

中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300074

1 工程概况

吉林市环山大桥（深圳东路-新城大路）工程，南起新城大路，桩号K7 ＋265.517，向北依次跨越松滨路、松花江，继续向北以高架形式依次跨越滨江南路、吉丰东路、龙丰线铁路、城南街后与现状环山街顺接，桩号K9 ＋841.517。环山大桥主桥长度为375m，跨径布置为（30 ＋155 ＋100 ＋70 ＋20）m，主桥标准横断面布置为：3.45m（吊索区，含吊索区栏杆）＋5.5m（人行道及非机动车道）＋0.5m（防撞护栏）＋16.25m（行车道）＋0.6m（防撞护栏）＋16.25m（行车道）＋0.5m（防撞护栏）＋5.5m（人行道及非机动车道）＋3.45m（吊索区，含吊索区栏杆），总宽为52.0m。河道按照Ⅳ级航道，航道净宽要求不小于100m，航道净高要求不小于8m，采用三跨过河，其中通航跨为155m。

主桥结构形式采用新颖独特的三连拱方案，为异形提篮式中承式拱桥，是同类桥型中跨度最大的景观拱桥，效果图及桥型总图布置见图1、图2。该桥主梁采用正交异性桥面板整体钢箱梁，拱肋采用矩形断面；主跨吊杆采用斜向江中央布置，梁上标准间距为12m；下部结构采用圆端形拱座，矩形承台，钻孔灌注桩基础。其中155m主跨矢跨比为1／2.2、100m 跨为1／2.9、70m 跨为1／3.85。边跨拱肋与中跨拱肋保持在一个平面内，横向倾斜度1∶3.732，倾角15°。主跨两片拱肋之间设置“一”字撑使其连成整体，形成强大的侧向抗弯刚度以抵抗横桥向的风荷载，增加整体稳定性。加劲梁通过吊杆或拱间横梁支承于拱肋之上，155m 主跨主梁与斜腿固结，令桥跨桥面梁形成系杆结构，平衡部分拱脚产生的水平推力，其余均支撑在拱间牛腿上。加劲梁在牛腿上设置竖向支撑，在梁拱间设置横向支座，以抵抗风荷载及桥梁扭转作用。按照造型需要，最大主拱拱轴线朝一侧倾斜，为优化主拱的受力状况，主跨吊索斜置，可使拱轴线更接近压力线，节省用钢量［3］。

图1 环山大桥效果图Fig.1 Renderings of Huanshan bridge

图2 主桥桥型布置Fig.2 Layout of main bridge type

2 主要结构设计细节

2.1 桥面系

主桥加劲梁采用正交异性桥面板全焊钢箱梁。根据构造及施工架设的需要，主梁沿纵向主要划分有22 种梁段。标准钢梁顶面宽52m，单箱八室截面，箱室顶板设1.5%的桥面横坡，箱室底板水平，板宽42m，桥梁中线处梁高3.0m。吊索在钢梁上横向间距为49.4m。标准节段加劲梁顶板厚16mm，底板厚14mm；车行道部分桥面板采用U 型加劲肋，高300mm、钢板厚8mm，锚腹板、中腹板均采用球扁钢加劲肋，规格160 × 11 型，其中中腹板板厚采用14mm，锚腹板加厚至30mm；横隔板间距4.0m，厚14mm。

2.2 拱肋及风撑

主桥拱肋由桥面两侧拱肋组成，钢箱拱肋采用三维曲线造型，其中两侧主拱肋向桥面内侧倾斜，并在拱顶设置三道风撑，以增加主拱肋的稳定性；两个次拱肋也朝桥面内侧倾斜，倾斜角度比主拱肋稍小，且不需要设置风撑即可满足受力要求，有更好的景观效果。拱肋选用全焊等宽矩形钢箱型截面，截面宽度均为3m，其中除拱脚部分拱肋采用变高度外，其余拱肋均为等高段。155m主跨拱肋等高段截面高度4.5m，顶、底板厚度40mm，腹板厚度30mm；100m 跨拱肋截面高度3.5m，顶、底板厚度30mm，腹板厚度20mm；70m跨拱肋高度为2.5m，顶、底板厚度30mm，腹板厚度20mm；钢箱拱内部设置纵、横向加劲钢板。拱肋普通隔板厚度为20mm，吊点隔板厚度为30mm。主跨拱肋顶底板设五道纵向加劲肋，加劲肋高度为360mm、厚度为30mm，加劲肋间距为500mm，腹板纵向加劲肋高度为360mm、厚度为30mm，加劲肋间距在750mm～500mm 间变化。纵向加劲板肋在吊杆隔板处与其焊接连接，在普通隔板处连续通过。节段内吊杆锚垫板通过承压板座在外径为260mm 的锚管上。管与隔板间为部分熔透等强焊接。

155m主跨钢箱拱肋间设置箱形“一”字型横撑，“一”字横撑截面宽度为2.5m，高度为3.0m，横撑顶底板板厚30mm，腹板厚20mm。拱肋在桥面以下均采用混凝土结构，为保证景观要求，钢与混凝土段断面采用平齐构造，且考虑到钢结构的耐久性，钢混结合段设置在洪水位以上。钢混结合段分为钢结构刚度过渡段及钢包混凝土段，两段以60mm厚承压板为界线，钢包混凝土段设置PBL 剪力键及预应力筋，使钢拱内力更好地传入混凝土。为了便于施工，在节段间主拱箱板的连接采用熔透焊接，纵向加劲肋的连接采用高强度螺栓栓接。钢拱肋标准断面构造如图3 所示。

图3 拱肋标准断面Fig.3 Standard cross section of arch ribs

2.3 吊索布置

主跨共布置9 对吊索，梁上间距12m，吊索与主拱轴线在一个平面内。为优化主拱的受力状况，吊索沿拱平面向河中倾斜，倾斜角度为39.3°～82.2°。吊索采用环氧涂层钢绞线吊索体系，型号为ϕ15.2 -37、ϕ15.2 -31，钢绞线抗拉强度采用1860MPa，其两端均采用复合冷铸锚，拱顶采用锚管式锚固，梁上设置锚拉板，吊索在桥面处张拉。

2.4 伸缩缝

主跨侧主桥与引桥联间墩处采用160 型单元式多向变位梳形板伸缩缝，主桥与北侧引桥联间墩处采用240 型单元式多向变位梳形板伸缩缝，155m主跨与100m中跨间伸缩缝采用480 型单元式多向变位梳形板伸缩缝。伸缩缝预留槽内浇注补偿收缩型混凝土，混凝土内掺加钢纤维，掺量与桥面铺装混凝土相同。

2.5 支座

Z17＃墩155m 跨拱梁结合处牛腿设置2 个550t球形钢支座和2 个500t球形钢支座，Z17＃墩主桥100m 跨拱梁结合处以及Z19＃墩牛腿设置2个900t 球形钢支座，Z15＃联间墩设置4 个500t球形钢支座，Z20＃联间墩设置4 个400t球形钢支座。本桥抗震设计采用弹性设计，对支座的水平承载力要求较高，选用的是高水平承载力的钢支座。在相应的拱梁相交处设置横向支座，支座选用四氟板板式橡胶支座。

2.6 拱座

拱座结构是连接中跨拱肋、边跨拱肋、斜撑的重要节点，同时又是上部钢结构与下部混凝土承台和基础的重要连接节点。该节点众多结构、众多力系交汇，结构受力及结构构造错综复杂，是设计的关键节点。拱座设计采用钢筋混凝土拱座，分为上下两个部分。考虑主拱的立面景观效果，上拱座外侧与主拱平面平齐布设，其混凝土实体部分隐藏在拱肋内侧。下拱座顺桥向下小上大、横桥向上小下大，迎水面采用圆弧形。

2.7 承台及桩基设计

每个拱脚下设置独立承台，同一个墩位上两个承台用系梁连接，以平衡拱脚的横向水平推力以及面外弯矩。本工程主墩基础采用ϕ1800mm钻孔灌注桩，选择中风化砂砾岩作为桩基持力层，桩基采用嵌岩桩设计。

3 指导施工方法

主桥墩位均处在河道及滩涂之中，考虑桥梁结构安全要求，承台均埋置较深，因此要求主桥各墩位灌注桩、承台采用钢围堰施工方法。主桥下部结构钻孔桩采用冲击钻机成孔，垂直导管法灌注水下混凝土。承台及拱座均按大体积混凝土要求施工。边墩墩身采用整体钢模板一次浇筑完成。

三角刚架区斜腿在支架上现场分段拼接，并在斜腿中设置劲性骨架以防止支架沉降对斜腿产生的不利影响；三角刚架区施工时，需设置临时系杆［4］。

上部结构采用先梁后拱的施工方案，钢梁可采用少支架法架设安装，若施工期间要求通航，梁体也可采用顶推施工方法。钢梁施工完毕后，在梁上进行钢拱肋的安装及吊杆的安装张拉，最后进行桥面铺装及栏杆的附属设施施工。

4 结语

吉林市环山大桥采用了三连拱的结构形式，通过采用精细的结构设计方法，使结构方案受力合理，更贴近景观方案，并提供了可行的施工方案。该桥设计细节可为同类桥梁提供参考。