山区公园跨水域拱桥设计方案研究

吴连波

（深圳交通公用设施建设中心，广东 深圳 518040）

0 引言

随着时代的进步，大众对于城市建设的审美不断提升，桥梁作为城市常见的公共建筑被赋予了更高的美学要求。对于桥梁的美学研究认为，桥梁建筑的三大美学形式原则是桥型、以桥为中心元素的环境形态和构成桥体的形式，是审美的最基础因素[1]。在桥梁建设历史中，拱桥是绕不开的主题，它被公认为是最优美的桥型，根据桥面与拱肋的位置可分为上承式、中承式及下承式；按照拱脚受力特点可分为有推力拱和无推力拱；根据主拱材料可分为石拱桥、钢拱桥、钢管拱、混凝土拱、钢管混凝土拱。相比其他桥型其更加多样，这是拱桥独有的特点。

本文针对深圳市阳台山森林公园内跨高峰水库的拱桥为研究对象（如图1 所示），分析其在方案选型、结构构造设计、施工方案选择中的关键点，最终方案较好结合了城市公园景观设计和桥梁功能设计，且具有很好的经济效益。

图1 跨高峰水库桥效果图

1 项目概况

深圳市侨城东北延通道项目北起福龙路，南至滨海大道，全长约15.7 km，规划为城市快速路，双向6 车道，设计速度80 km/h。跨高峰水库桥为该项目中唯一一座跨水库桥梁，如图2 所示，桥梁位于阳台山森林公园境内，且高峰水库是公园内的最大水库，是重要的水源保护地。

图2 桥位平面图

桥梁左右幅整体立面对齐，其中左幅跨径布置为（5×28）m 引桥+（80+90+80）m 主桥+（6×25）m 引桥；右幅跨径布置为（5×28）m 引桥+（90+90+80）m主桥+（3×25）m 引桥，主桥为上承式钢结构拱桥，引桥为钢混组合梁。根据2020 年《高峰水库大坝安全评价报告》，水库设计洪水位为85.56 m（黄海高程），考虑钢结构主拱耐久性，水中拱脚最低点高于设计水位线1 m 以上设置；桥梁周边山势上陡下缓，桥位处基岩面较深，现状地面线距中风化花岗岩距离约10～25 m，桥型立面布置如图3 所示。

图3 跨高峰水库桥立面布置（单位：m）

主梁标准宽度13.25 m，采用双窄箱钢混组合梁，梁高2.0 m（1.75 m 钢梁+0.25 m 预制桥面板），铺装厚度18.2 cm（10 cm 沥青铺装+2 mm 防水层+8 cm C50 混凝土调平层）。桥墩立柱均采用八边形断面，横向4.0 m 等宽，其中拱上立柱采用钢结构，其他桥墩采用混凝土。主拱为6.0×2.0 m 等尺寸矩形钢箱拱，拱脚设4 m 长钢混结合段，主拱矢高36～42 m，矢跨比2.2～2.4。中拱脚下基础为9 根φ1.8 m 钻孔灌注直桩+ 矩形承台，边拱脚为抵抗拱脚推力的作用，设计中采用4 根φ1.6 m 斜桩+6 根φ1.6 m 直桩的基础形式，承台采用圆柱体，并搭配削竹式护坡处理，提升整体景观，主、引桥标准断面尺寸如图4所示。

图4 跨高峰水库桥断面布置（单位：m）

2 桥梁方案选型

该桥受与上、下游隧道衔接，桥位平面与高程受到限制，如图5 所示，造成其具有以下特点：

图5 桥梁设计线位图

（1）跨越水域范围大（直接水域范围L 约225 m，水域管理红线范围约245 m）；

（2）距水面高度高（主桥距离常水面位置H2平均高度约55 m 左右，H1为设计洪水位）；

（3）桥梁分幅较远且带有长下坡（单幅桥宽13.25 m，左右幅道路中心距37 m，全桥4%长下坡）。

若为了保护水库水源，主桥可采用一跨跨过水库，如悬索桥、斜拉桥、拱桥等方案，但悬索桥与斜拉桥造价过高，且由于桥位本身已经很高，斜拉桥和悬索桥的主塔将会更突出，其经济性、景观性和施工安全性都比较差；若为了提高方案的经济性，主桥可采用多跨过水库，如连续梁桥、矮塔斜拉桥、拱桥等方案，但连续梁桥和矮塔斜拉桥景观性差，对公园景观没有起到提升品质的作用。综上所述，拱桥无疑是最优选择。

拱桥可选的方案有上承式、中承式与下承式，如图6 所示。若一跨过水库且考虑与水库的安全施工距离，则最小跨径不小于260 m，选用单跨上承式拱桥的矢跨比将接近1/10，受力十分不利，故不选用；而采用单跨下承式拱桥（方案①）时，其桥下空间过大，景观效果不理想，所以优选单跨中承式拱桥（方案②）或多跨上承式连拱（方案③），二者均有较好的经济性和景观性。相比方案②，方案③可有效降低主拱高度，施工安全性得到提升，同时右幅可利用水中小岛减小跨径，虽需水中立少量桥墩，但对水源影响并不大，造价却大大降低。此外，设置多个桥墩也可限制主梁的顺向偏位，较好地解决了主梁长联大纵坡的顺向位移问题，所以优选三跨上承式连拱为最终桥梁方案，单孔跨径为80～90 m。

图6 拱桥方案示意图

3 关键构造和参数比选

3.1 主拱线型及矢跨比

跨高峰水库拱桥为三跨连拱，拱上设置立柱，如图7 所示，常规拱桥为使拱轴线与拱上荷载的压力线相吻合，从而充分利用材料强度，一般会设置合理拱轴线，对于沿拱跨分布的多点对称集中荷载时，合理拱轴线应为多段折线[2]，但其景观效果差。为兼顾主拱受力与景观，最终确定主桥拱轴线采用悬链线形式。

图7 拱轴线比选方案

由于主梁距水面平均高度超50 m，主桥跨径L1～L3为80～90 m，主拱采用常规矢跨比则拱脚至地面会有一定高差h，在拱脚水平力V 的作用下产生附加弯矩M=V·h。因此，针对不同拱轴线比选a～d 四种方案，矢跨比分别为1/5～1/2.25 之间，矢跨比的增大将使拱脚与水平夹角α 增大，拱脚水平推力V 和拱脚至地面高差h 均会减小，使用较大的矢跨比一定程度上会改善拱脚的受力。综合考虑受力与美观效果，优选较大矢跨比的方案d（矢跨比1/2.25），边拱脚直接与基座承台相连，拱脚受力更合理，且主拱较大的矢高也会使桥梁造型上更加新颖。

3.2 拱上立柱间距

立柱间距布置形式有密立柱（立柱间距比引桥跨径小）和稀立柱（立柱间距与引桥跨径接近）两种，二者均有工程实施前例，如拱上立柱采用密立柱布置如图8（a）所示，拱上立柱采用稀立柱布置如图8（b）所示。

图8 不同立柱布置方式案例

对于本桥，山区公园内桥址运梁条件差，主梁吊装高度大，主梁施工方案为钢混组合梁顶推施工；同时，引桥考虑避让地面绿道和施工便道，采用了25～28 m 的跨径布置，为了顶推便利，主引桥宜跨径接近，梁高相同，所以立柱间距推荐采用稀立柱布置，如图9 所示。稀立柱布置可避免墩柱森立，通透性好，提升景观效果；立柱数量适当减少，可降低主拱受力和改善主墩受力，节省主桥造价。

图9 不同立柱布置方式案例

3.3 有推力拱脚方案

拱桥根据拱脚受力特点可分为有推力拱和无推力拱，就国内外已建成的上承式拱桥而言，绝大多数为有推力拱。对于有推力拱脚的设计，已有工程实例中所采用的方案主要包括：①地连墙基础；②拱脚间设地系梁；③整体式扩大基础或重力式基础；④组合式桥台或设置群桩阻滑体系；⑤斜桩+ 竖桩基础等[3-9]。本项目处于公园内，且根据勘察显示，拱脚位置持力层平均深度约22 m，基岩面较深，基于此，比较不同拱脚基础方案的优缺点见表1。

表1 有推力拱脚基础方案比选表

根据表1 分析，为减少对公园环境的影响，显然方案⑤是最优选择，承台施工完毕后，将开挖土体回填并进行绿化恢复，与原有坡面及自然景观融为一体，公园景观也得到了有效提升，如图10 所示。

图10 削竹式基坑支护示意图

4 施工方案比选

4.1 主拱施工方案

上承式拱桥的施工方案为先拱后梁，主拱的常规施工方案包括斜拉扣挂悬索吊装施工、转体施工、少支架拼装法，前两者一般适用于桥下范围内不具备作业空间的情况，而且施工复杂性和技术难度大，施工费用高。由于高峰水库并无通航需求，水库水深较浅，具备施工作业空间，因此采用少支架拼装+龙门吊吊装的方法，如图11 所示。施工技术成熟，安全性好，造价最低，施工过程中做好水质保护工作，对水库水源影响较小。

图11 主拱施工示意图

4.2 主梁施工方案

该桥主梁选择钢混组合梁结构，钢主梁常规施工方案有三种：汽车吊或履带桥架设、架桥机架设和顶推施工。该桥位较高，采用汽车吊或履带桥架设，施工风险较高；而对于架桥机架设，其施工速度较慢；该桥由于主引桥跨径接近，梁高均为相同高度，采用顶推施工不仅施工速度快，且技术成熟，具有很好的经济性，因此，主梁施工最终选择顶推施工方案。

5 结语

上承式拱桥有悠久的建造历史，具有良好的传力体系和优美的造型，适用于具有较高桥位的山区峡谷或者水道。跨高峰水库桥的成功实践验证了上承式拱桥在山区公园中的适用性、可实施性和经济性。它的建成也将成为深圳市最大跨度的上承式拱桥，在设计中践行了创新技术应用，实现了景观艺术与功能作用紧密结合，其方案设计研究可为今后同类桥型的设计、施工提供借鉴。