寧平華，郭鈺瑜

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東　廣州　510060）

廣州從化大橋工程主橋空間拱梁組合橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

寧平華，郭鈺瑜

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東廣州510060）

廣州從化大橋?yàn)閺V州市從化區(qū)跨流溪河的一座大型城市橋梁，其主橋?yàn)閱慰缦鲁惺娇臻g拱梁組合體系橋，跨徑為136 m，橋?qū)?0 m，拱圈為3根鋼管通過(guò)橫撐、斜撐組合而成倒三角形桁梁組合拱，造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，且為國(guó)內(nèi)首例大橋與地鐵共線的工程，技術(shù)含量高。介紹該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)。

下承式；空間異形組合拱；拱梁組合體系；地鐵

1　工程背景

從化大橋工程位于廣州市從化區(qū)街口街，道路等級(jí)為城市主干路，連接城區(qū)河?xùn)|片區(qū)和城北新區(qū)，跨越流溪河。從化大橋的建設(shè)，將使得上述片區(qū)之間的交通聯(lián)系更加便捷，它的建成能夠進(jìn)一步完善城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效改善城市南北交通不暢的現(xiàn)狀，緩解城市交通中心擁擠的狀況，對(duì)加強(qiáng)新老城區(qū)的聯(lián)系，促進(jìn)結(jié)合處的景觀、交通、用地等建設(shè)有著十分重要的意義。從化大橋?yàn)閺幕蟮郎峡缌飨拥年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，為城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，主橋雙向6車道。橋位處江面寬約200 m，從化大橋位于街口大橋和迎賓大橋之間，距兩座橋均為2.2 km。其地理位置如圖1所示。

圖1　項(xiàng)目地理位置圖

2　方案構(gòu)思

該工程處于從化市中部，南北向橫跨流溪河，是連接從化城北新區(qū)和南部的河?xùn)|綜合區(qū)及研發(fā)產(chǎn)業(yè)區(qū)的重要通道。東北新區(qū)與南部經(jīng)濟(jì)發(fā)展片區(qū)（包括河?xùn)|綜合和研發(fā)產(chǎn)業(yè)區(qū)）隔河相望，是從化市遠(yuǎn)期發(fā)展的兩大區(qū)域。因此從化大橋必須充分考慮結(jié)構(gòu)物的景觀效果，橋梁結(jié)構(gòu)必須新穎、美觀，既體現(xiàn)文化底蘊(yùn)，又具有時(shí)代的特征，建成后成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。

目前，從化市主城區(qū)內(nèi)跨越流溪河的橋梁僅有南邊的街口大橋、流溪大橋和北部的迎賓大橋。現(xiàn)狀橋型以平梁橋?yàn)橹?，景觀效果一般，不能成為城市的獨(dú)特景觀。因此，擬建的從化大橋?qū)⑹且蛔匾獦蛄?，如何體現(xiàn)良好的景觀效果，體現(xiàn)現(xiàn)代城市風(fēng)貌，成為新的城市地標(biāo)，是本次橋型方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

根據(jù)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及業(yè)主的要求，針對(duì)梁橋、斜拉橋及拱橋這三種橋型做了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)，共提交了十多個(gè)橋型方案供比選，各方案情況見(jiàn)表1。

從化大橋跨越流溪河，橋梁所處河道較窄，河面寬約200 m，堤岸兩側(cè)為住宅區(qū)，且北岸現(xiàn)有數(shù)棟百米高的住宅建筑。若建造具有高聳偉岸橋塔的斜拉橋和懸索橋，勢(shì)必會(huì)顯得空間密度太大，與周圍的建筑和自然景觀產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的效果。拱橋作為一種古老的橋型，它的美在于柔美的拱曲線與直線形的梁柱、桿結(jié)合，呈現(xiàn)出剛?cè)岵?jì)、韻律優(yōu)美的綽約風(fēng)姿。拱橋?yàn)闃蛄夯倔w系之一，形式多樣，造型優(yōu)美，一直是大跨徑橋梁的主要形式。本次橋型方案設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)多輪比選和投票，最終確定采用下承式空間拱梁組合體系橋，即表1中方案十四（見(jiàn)圖2）。

表1　各橋型方案一覽表

圖2　橋型日景圖

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1橋跨布置

從化大橋主橋?yàn)閱慰缦鲁惺娇臻g拱梁組合橋，跨徑為136 m。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，拱肋由三根鋼管通過(guò)橫撐、斜撐組合而成倒三角形。該橋型造型獨(dú)特，拱肋結(jié)構(gòu)新穎美觀，猶如一輪新月升起在流溪河畔。主梁兩端部設(shè)計(jì)為下牛腿，作為引橋邊跨的支承端。圖3為橋型平立面布置圖［1］。

3.2橫斷面布置

主橋橫斷面全寬40 m，梁高3.5 m，為魚腹式斷面，如圖4所示［1］。

圖3　橋型平立面布置圖（單位：m）

3.3拱肋布置

拱肋由3根鋼管通過(guò)橫撐、斜撐組合而成倒三角形，造型獨(dú)特，拱肋結(jié)構(gòu)新穎美觀，呈現(xiàn)“新月臨江”的建筑美學(xué)創(chuàng)意。三根鋼管線型均為二次拋物線，一根外徑1.8 m的主拱位于豎直平面內(nèi)，主拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f=26.2 m，矢跨比為1/5.2；兩根外徑1.5 m的副拱由豎直平面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)16.8°而成，副拱拱肋中心線理論跨徑136 m，理論矢高f=31.7 m，理論矢跨比f(wàn)/L=1/4.1。主拱肋和副拱肋均分7個(gè)節(jié)段進(jìn)行吊裝，拱內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。

圖4　橋型橫斷面圖（單位：m）

3.4吊桿布置

主拱共設(shè)19根吊桿，副拱共設(shè)13對(duì)吊桿，吊桿索體采用PES（FD）系列新型低應(yīng)力防腐拉索。主拱吊桿索體規(guī)格為PES（FD）7-187，副拱吊桿索體規(guī)格為PES（FD）7-73，拉索的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 670 M Pa。吊桿順橋向間距6 m，分別錨固在拱肋和主梁內(nèi)，主梁處為張拉端，拱肋處為固定端。

3.5橋墩與基礎(chǔ)

為配合拱肋造型，主墩采用弧形板式墩，斷面為箱形結(jié)構(gòu)，截面尺寸為：18 m（橫向）×3 m（縱向）。主墩下設(shè)8根2.5 m嵌巖樁，樁基礎(chǔ)與橋墩之間通過(guò)承臺(tái)連接。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1空間異形拱結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

拱圈為通過(guò)橫撐、斜撐和三根鋼管組成的組合式異形拱圈。異形拱圈為自平衡體系，施工加載與后期運(yùn)營(yíng)活載產(chǎn)生的對(duì)鋼管拱的水平推力與系桿張拉力平衡。為了增加拱肋的剛度，拱肋內(nèi)部灌滿C50微膨脹混凝土。

4.2拱梁結(jié)合的連接構(gòu)造

由于受結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，拱腳部位是拱的推力、梁的內(nèi)力和支座的支承反力交匯處，不同方向作用力的影響使得其受力極其復(fù)雜。同時(shí)拱腳作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵部位之一，它不僅要保證主拱、縱梁和端橫梁之間的相互作用，還要保證上部結(jié)構(gòu)的荷載能夠安全可靠地傳遞到支座上。拱腳處的局部受力對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和跨越能力以及結(jié)構(gòu)是否能正常使用起著決定性的作用。三根拱肋在拱座匯聚到一點(diǎn)，拱座受力特別復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用外包鋼板的方式與混凝土箱梁相連。為確保拱肋、外包鋼板和混凝土結(jié)合良好，拱肋內(nèi)外側(cè)和外包鋼板內(nèi)側(cè)均設(shè)置剪力釘。拱肋預(yù)埋段內(nèi)主拱與副拱通過(guò)幾道厚20 m m的鋼板組合成為一個(gè)整體。

4.3與地鐵合建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于地鐵14號(hào)線穿越流溪河段分左右雙線，其中左線隧道在從化大橋西側(cè)通過(guò)，右線隧道中心線與從化大橋中心線重合，大橋樁基布置受限于地鐵隧道線位，且兩個(gè)項(xiàng)目工期重疊，兩者施工相互影響，形成復(fù)雜的施工工況，影響到橋梁和地鐵的安全，如圖5所示［1］。

圖5　主橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

按照從化大橋及地鐵14號(hào)線的工期安排，該范圍施工順序?yàn)椋簶蛄簶痘?、承臺(tái)施工→地鐵盾構(gòu)隧道施工→橋梁墩身及上部結(jié)構(gòu)施工。

考慮到地鐵盾構(gòu)施工影響的不確定性，本設(shè)計(jì)對(duì)方案作出以下調(diào)整：

（1）由最初的三跨下承式連續(xù)梁拱橋調(diào)整為單跨下承式拱橋，以降低不均勻沉降對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的影響；

（2）調(diào)整樁基布置，加大基礎(chǔ)承臺(tái)的跨徑和厚度，橋梁樁基與隧道最小水平間距以不小于2 m進(jìn)行控制（見(jiàn)圖5）；

（3）地鐵施工、運(yùn)營(yíng)與鄰近橋梁樁基之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互作用問(wèn)題，為確保地鐵施工和運(yùn)營(yíng)期間橋梁與地鐵的結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)施工期和運(yùn)營(yíng)期兩階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化管理，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終通過(guò)數(shù)據(jù)的收集和整理，為以后類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考和經(jīng)驗(yàn)［2］。

4.4拱梁索內(nèi)力平衡法設(shè)計(jì)原理

拱橋由于其荷載是由主梁、拱肋和吊桿分擔(dān)的，合理地確定各構(gòu)件分擔(dān)的比例十分重要。因此拱橋的設(shè)計(jì)首先是確定其合理的成橋狀態(tài)，即合理的線形和內(nèi)力狀態(tài)，其中起主要調(diào)整作用的就是吊桿的張拉力。本案采用內(nèi)力平衡法確定吊桿的張拉力。其基本原理：設(shè)計(jì)適當(dāng)或合理的吊桿初張力，以使結(jié)構(gòu)各控制截面在恒載和活載共同作用下，主梁上翼緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比等于或接近下翼緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比［3］。

5　結(jié)語(yǔ)

廣州從化大橋的橋型經(jīng)歷多方案比選，結(jié)合具體建設(shè)條件及各方意見(jiàn)，最終優(yōu)先出主跨136 m空間拱梁組合體系橋。本文提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造和方法，以及創(chuàng)新型關(guān)鍵技術(shù)，為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。廣州從化大橋的建成將成為從化區(qū)一道亮麗的風(fēng)景線。

［1］廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.從化大橋工程施工圖設(shè)計(jì)［Z］.廣州：廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，2015.

［2］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［3］陳堅(jiān)柔.贛州章江大橋異形鋼管拱施工與監(jiān)控技術(shù)［Z］.九江：中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司，2013.

U442.5

B

1009-7716（2016）09-0043-03

2016-06-28

寧華平（1963-），男，湖南人，總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事橋梁、道路及交通工程設(shè)計(jì)研究工作。