天津安陽(yáng)橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張振學(xué)，洪 全，郭會(huì)國(guó)

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津300073）

1 工程概況

安陽(yáng)橋位于天津市濱海新區(qū)中心商務(wù)區(qū)于新道跨海河處，東連于家堡金融區(qū)，西接響螺灣商務(wù)區(qū)。主橋跨徑布置為20 m+22 m+220 m+22 m+20 m，全長(zhǎng)304 m，雙向6車道。安陽(yáng)橋主橋?yàn)闊o(wú)推力空間鋼網(wǎng)拱橋，主拱為雙軸對(duì)稱空間鋼網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)，主梁主跨為主次梁梁格結(jié)構(gòu)，左右兩幅，橫梁間距8 m，邊跨為整體正交異性鋼箱梁（見(jiàn)圖1）。

安陽(yáng)橋?qū)哟呜S富、變化多樣，它重構(gòu)城市天際輪廓、顯得大氣而又獨(dú)特。安陽(yáng)橋主拱不是一個(gè)常規(guī)概念上的鋼拱，而是一束沿橋縱向布置的空間拱，它既體現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)各方向的通透性，又展現(xiàn)了因角度不同而呈多姿多彩的形態(tài)（見(jiàn)圖2）。安陽(yáng)橋主拱分兩部分，表達(dá)“大鵬展翅”之意，而中央則是懸掛橋面的主體結(jié)構(gòu)。橋面也于中央分成兩幅，引導(dǎo)光線照射到橋下的水面。兩片拱就像兩片略為卷曲的葉子，其凹面朝向橋面邊緣，以及河道。這兩片由多根鋼拱重重疊疊組成的巨型的“葉子”在其兩端逐漸收緊，并小心翼翼地植根于支座。橋面外側(cè)的纜索將橋面懸掛于中央的鋼拱之上，車輛與行人都在這些纜索的內(nèi)側(cè)。

安陽(yáng)橋在城市景觀橋中獨(dú)豎一幟，不僅在橋梁建筑上有著其獨(dú)特的藝術(shù)魅力，在橋梁結(jié)構(gòu)上也有其獨(dú)到的地方。安陽(yáng)橋?yàn)楣皹?，且矢跨比小，安?yáng)橋場(chǎng)地為軟土地基，在軟土地基上設(shè)計(jì)大跨度拱橋，是該工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在安陽(yáng)橋橋梁結(jié)構(gòu)中，空間主拱在拱腳處交匯于一點(diǎn)，安陽(yáng)橋的整體穩(wěn)定是該工程的一個(gè)控制問(wèn)題。在安陽(yáng)橋方案中，拱和梁是分離的，拱梁之間的連接僅通過(guò)吊桿連接，拱梁之間的連接方式、實(shí)現(xiàn)方式及對(duì)整體橋梁結(jié)構(gòu)的影響是該橋結(jié)構(gòu)分析中必須考慮的問(wèn)題。安陽(yáng)橋主拱剛度相對(duì)較弱，梁的剛度也較弱，拱梁剛度的匹配和調(diào)整是該橋設(shè)計(jì)中反復(fù)調(diào)整的問(wèn)題。安陽(yáng)橋主拱由14道獨(dú)立的小拱箱組成，拱間橫連間距8 m，小拱和拱間連接共同形成主拱，主拱的應(yīng)力調(diào)整、施工可行性是設(shè)計(jì)中反復(fù)討論的問(wèn)題。安陽(yáng)橋主拱為空間鋼網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)，在橋面以下，由于其截面變小，為鋼拱箱結(jié)構(gòu)，拱箱和小拱的界面位置、施工工藝和構(gòu)造處理都是設(shè)計(jì)應(yīng)仔細(xì)考慮的問(wèn)題。在安陽(yáng)橋拱腳設(shè)計(jì)中采用了鑄鋼構(gòu)件，鑄鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)、鑄造、運(yùn)輸安裝、焊接工藝是設(shè)計(jì)施工需要解決的難題。安陽(yáng)橋?yàn)榇罂缍裙皹颍诘卣鹱饔孟孪虏拷Y(jié)構(gòu)的反力巨大，該橋的減隔震體系的布置和設(shè)計(jì)是該工程設(shè)計(jì)慎重考慮的問(wèn)題。安陽(yáng)橋?yàn)榭臻g鋼網(wǎng)拱橋，現(xiàn)行通用規(guī)范和抗風(fēng)規(guī)范都沒(méi)有對(duì)應(yīng)于該橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗(yàn)算，安陽(yáng)橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是該工程設(shè)計(jì)值得研究的科研問(wèn)題。

2 安陽(yáng)橋橋梁結(jié)構(gòu)

安陽(yáng)橋?yàn)闊o(wú)推力空間鋼網(wǎng)拱橋，由主拱、主梁、斜撐、拉桿、吊桿和鑄鋼件幾部分組成，見(jiàn)圖3所示。安陽(yáng)橋主拱為雙軸對(duì)稱的異形空間鋼網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)，主拱在橋面以上為拱網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，橋面以下為異形拱箱結(jié)構(gòu)。中心拱軸線距拱腳定位點(diǎn)39.8 m，跨度220 m，矢跨比為1/5.53。主拱為異形變截面，在橋跨中點(diǎn)處，主拱截面高11.6m，寬15.4m，在拱腳處截面高2.8 m，寬3.6 m。橋面以上拱網(wǎng)由14道獨(dú)立的小拱箱通過(guò)間距8 m的拱間橫向連梁連接而成，鋼網(wǎng)拱橫截面左右對(duì)稱，呈倒梯形，兩腰為弧線，頂部位下凹折線。在橋面附近位置，14道小拱箱合并成一個(gè)大鋼拱箱結(jié)構(gòu)。

安陽(yáng)橋主梁為鋼梁，分為主跨部分和邊跨部分。主跨為主次梁梁格體系，分左右兩幅，通過(guò)連接橫梁連接，間距8 m。單幅鋼梁設(shè)一大一小縱梁，大縱梁為四邊形截面，寬度5.2 m，高2.3 m；小縱梁也是四邊形截面，寬度2.6 m，高1.8 m。主橫梁間距8 m，與吊桿間距相同，次橫梁間距4 m，主橫梁為變截面箱梁，寬0.75 m，高度從2.3 m變到1.5 m，次橫梁為變截面工字梁，寬0.3 m，高度從2.3m變到1.5 m。邊跨為整體正交異性鋼箱梁，梁高2.3 m，左右變高度，同主跨梁格。

安陽(yáng)橋吊桿分為四個(gè)吊桿面，主梁外側(cè)和主梁內(nèi)側(cè)各兩道，吊桿采用平行鋼絞線，外側(cè)采用GJ15.24-12型號(hào)，內(nèi)側(cè)采用GJ15.24-5型號(hào)。

在主拱拱腳處有三道斜撐，斜撐為變截面箱形，截面上大下小，三道斜撐傳遞主拱傳來(lái)的水平分力。主拱拱腳與三道反向斜撐之間，通過(guò)鑄鋼件相連，鑄鋼為空間三維結(jié)構(gòu)。

由于該橋的主跨較大220 m，邊跨相對(duì)較小42m，在邊跨墩位會(huì)出現(xiàn)很大的支座負(fù)反力。為了防止邊跨負(fù)反力的出現(xiàn)，特設(shè)置拉桿墩位，使得邊跨處于受壓狀態(tài)。拉桿設(shè)置四道，位于主次梁的位置，拉桿為鋼板，厚100 mm。

3 安陽(yáng)橋橋梁結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計(jì)

安陽(yáng)橋?yàn)榭臻g鋼網(wǎng)拱橋，與普通拱橋的受力一樣，拱橋的水平推力是設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。安陽(yáng)橋主跨跨徑220 m，矢跨比為1/5.53，矢跨比較小，主拱產(chǎn)生的水平分力有9 000 t。安陽(yáng)橋處的地基為軟土地基，在軟土地基上設(shè)計(jì)抵抗如此巨大水平力的樁基，難以實(shí)現(xiàn)。在主梁內(nèi)加設(shè)拉桿，來(lái)平衡恒載產(chǎn)生的水平推力，但是在活載和整體升降溫作用下，主拱也有4 000 t的水平力。在拱腳處設(shè)置支座，形成中承式梁拱橋梁結(jié)構(gòu)，一個(gè)拱腳墩為固定墩，其余為順橋向滑動(dòng)墩，釋放了該橋在恒載、活載和整體溫度作用下的水平力。然而，在地震作用下，拱腳固定墩的反力比恒活載產(chǎn)生的還要大，這對(duì)該橋抗震極為不利，固定墩基礎(chǔ)難以實(shí)現(xiàn)，因此，安陽(yáng)橋減隔震體系的設(shè)計(jì)又是該工程的一個(gè)難題。在安陽(yáng)橋橋梁結(jié)構(gòu)中，空間主拱在拱腳與三道斜撐交匯于一點(diǎn)，拱腳主墩的支撐為一個(gè)點(diǎn)支撐，安陽(yáng)橋的整體穩(wěn)定是該工程的一個(gè)控制問(wèn)題。安陽(yáng)橋主拱穩(wěn)定是靠主拱與主梁的拉桿，主拱的穩(wěn)定就要求主梁的扭轉(zhuǎn)角度很小，因此，橫橋向布置的四個(gè)拉桿是該橋穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)。另外，由于主拱拱腳在橫橋向?yàn)橐粋€(gè)支撐點(diǎn)，在活載偏載作用下，該橋邊跨有較大的橫橋向水平力，這也是常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)不曾出現(xiàn)的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中應(yīng)增加適當(dāng)?shù)臉?gòu)造要求。

4 安陽(yáng)橋主拱設(shè)計(jì)

安陽(yáng)橋主拱的設(shè)計(jì)是該工程的一大重點(diǎn)，在安陽(yáng)橋最初的方案中，拱和梁是分離的，拱梁之間的連接僅通過(guò)吊桿連接。拱梁之間的連接方式、實(shí)現(xiàn)方式及對(duì)整體橋梁結(jié)構(gòu)的影響是該橋結(jié)構(gòu)分析中必須解決的問(wèn)題。通過(guò)反復(fù)計(jì)算對(duì)比拱梁分離、僅橫向支撐、鉸接和剛接幾種工況，最后確定為拱梁剛接的形式（見(jiàn)圖4）。安陽(yáng)橋?yàn)槌鞘芯坝^橋，在設(shè)計(jì)主拱的線形和桿件尺寸時(shí)，為了更能表現(xiàn)主拱的通透性，盡可能保證主拱線形和降低截面的外形尺寸，這使得主拱的設(shè)計(jì)有很大的難度。安陽(yáng)橋主拱軸線的線形為橋梁藝術(shù)的創(chuàng)意，與合理拱軸線有一些差異，主拱的傳力途徑和受力特點(diǎn)在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意。以前的常規(guī)拱橋，主拱為一剛性構(gòu)件，拱構(gòu)件本身具有很大的剛度和整體性，而安陽(yáng)橋的主拱為多拱軸線空間鋼拱結(jié)構(gòu)，由14條小拱通過(guò)間距8 m的拱間橫向連梁連接而成，主拱的整體性和剛度相對(duì)較弱，且該橋跨度較大，主梁和主拱的剛度分配調(diào)整是設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)調(diào)整的一個(gè)問(wèn)題。在主拱與橋面相連的附近，主拱截面高度較小，14條小拱通過(guò)拱間橫連相連，橫連桿件的尺寸較短，易形成剛性短桿，拱間橫連設(shè)計(jì)時(shí)要考慮剛性短桿的影響。主拱空間尺寸較小，空間交匯桿件較多，各桿件相對(duì)較短，各桿件連接設(shè)計(jì)不僅要考慮拱間橫連在其平面內(nèi)的連接，而且也要考慮拱間橫連與主拱在其平面外的連接。在主拱與橋面相連的附近，14條小拱變成一個(gè)鋼拱箱，小拱變拱箱位置的確定，是設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)討論的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)拱的通透性，拱箱盡可能地短，但為了在施工中能實(shí)現(xiàn)，拱箱又不宜過(guò)短。在小拱變拱箱處，由于主拱剛度的突變，容易引起應(yīng)力集中，此處的構(gòu)造處理和措施也是設(shè)計(jì)中反復(fù)討論的問(wèn)題。

5 安陽(yáng)橋鑄鋼和拉桿設(shè)計(jì)

在主拱拱腳處，主拱與三道反向斜撐通過(guò)鑄鋼件直接相連，鑄鋼件不僅承受主拱傳來(lái)的軸力、雙向剪力、面內(nèi)外彎矩和扭矩，還承受著三道反斜撐傳來(lái)的內(nèi)力，鑄鋼件是該橋的關(guān)鍵受力點(diǎn)之一。鑄鋼件為空間三維結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），在原先的設(shè)計(jì)中，為了降低鑄鋼構(gòu)件的應(yīng)力，鑄鋼件設(shè)計(jì)得較大，在通過(guò)對(duì)鑄鋼件的鑄造、運(yùn)輸、安裝能力調(diào)研后，鑄鋼件過(guò)重，過(guò)大，施工難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)反復(fù)計(jì)算，重新調(diào)整鑄鋼件尺寸，在滿足設(shè)計(jì)的要求下最大限度地減小鑄鋼件的尺寸，最后的尺寸為：順橋向長(zhǎng) 8.33 m，橫橋向 6.10 m，高 3.48 m，重約 250 t。鑄鋼件為橋梁構(gòu)件，鑄鋼件的抗疲勞性能是該工程設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。鑄鋼件的材質(zhì)與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的材質(zhì)不同，為了保證鑄鋼件與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的焊接性能，需要對(duì)鑄鋼材質(zhì)做出專業(yè)的分析和比選，保證工藝的可行性和焊接質(zhì)量，鑄鋼件和橋梁用鋼應(yīng)在鑄造廠進(jìn)行加工，以方便施焊后進(jìn)行回火和調(diào)質(zhì)處理，使得鑄鋼件出廠就帶有橋梁用鋼的要求，現(xiàn)場(chǎng)焊接就好處理了。另外鑄鋼件的防腐也是該工程不容忽視的問(wèn)題。將大噸位鑄鋼件應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，也是該橋設(shè)計(jì)的一個(gè)新的特點(diǎn)。

由于安陽(yáng)橋邊跨較小，橋梁在設(shè)計(jì)荷載作用下，邊墩將出現(xiàn)很大的支座負(fù)反力，常規(guī)的抗拉支座難以現(xiàn)實(shí)，需要在邊跨設(shè)置拉桿來(lái)承受支座負(fù)反力。拉桿位置的布置是設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)在設(shè)計(jì)中反復(fù)驗(yàn)算，當(dāng)拉桿布置與斜撐越近，拉桿所起的作用就越直接，主拱的應(yīng)力就有所降低，但三道反斜撐的應(yīng)力就增加很快，有時(shí)在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)難以滿足規(guī)范要求，而且構(gòu)造上沒(méi)有足夠的空間，不易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)拉桿布置得太遠(yuǎn)，主拱的應(yīng)力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大，應(yīng)力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，應(yīng)力難以下降的循環(huán)中。在拉桿的布置中，拉桿橫橋向根數(shù)的布置也是設(shè)計(jì)中通過(guò)反復(fù)驗(yàn)算才確定下來(lái)的。

6 安陽(yáng)橋抗震設(shè)計(jì)

安陽(yáng)橋?yàn)楣皹?，如果采用上部主拱與下部基礎(chǔ)為剛接，該橋?qū)⒊蔀檎嬲饬x上的拱橋，但是在地震作用下，下部基礎(chǔ)的反力就會(huì)非常之大，即使采用梁拱橋，固定墩的反力會(huì)更大，下部基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。在中承式梁拱橋的基礎(chǔ)上采用減隔震體系的設(shè)計(jì)，即采用雙球面減隔震支座和阻尼器同時(shí)布置的減隔震體系，減隔震支座降低下部基礎(chǔ)反力，而阻尼器又能降低橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大位移，使得下部基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理成為現(xiàn)實(shí)。在抗震設(shè)計(jì)中，采用了主橋和引橋的空間非線性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算模型，詳細(xì)分析橋梁結(jié)構(gòu)在兩種概率水平的地震輸入下的地震反應(yīng)，并考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性、支座邊界單元的非線性、結(jié)構(gòu)－基礎(chǔ)－土共同作用的影響及主橋與引橋的相互藕聯(lián)作用的影響。在安陽(yáng)橋減隔震分析計(jì)算中，采用了SAP和MIDAS兩種有限元軟件，從兩種軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可以看出，計(jì)算的反力趨勢(shì)是一致的，但仍然存在一定的差異，這也是現(xiàn)階段對(duì)軟件抗震計(jì)算的原理、算法和適用條件的認(rèn)識(shí)不足。

7 安陽(yáng)橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)

安陽(yáng)橋是新型的拱橋結(jié)構(gòu)，該橋抗風(fēng)的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)新的內(nèi)容。現(xiàn)行通用設(shè)計(jì)規(guī)范和抗風(fēng)規(guī)范靜風(fēng)荷載計(jì)算中都沒(méi)有對(duì)應(yīng)的風(fēng)載阻力系數(shù)的類型，而動(dòng)風(fēng)荷載驗(yàn)算主要是對(duì)于斜拉橋和懸索橋的，并沒(méi)有對(duì)空間網(wǎng)格拱這樣的異形橋梁結(jié)構(gòu)，該橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)也是該工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)空白的科研課題。在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，不僅要進(jìn)行基本風(fēng)速統(tǒng)計(jì)分析和橋位風(fēng)特性參數(shù)確定，還有對(duì)主梁和主拱做靜風(fēng)三分力系數(shù)測(cè)試和靜風(fēng)荷載計(jì)算，用于研究等效風(fēng)荷載組合研究和靜風(fēng)穩(wěn)定性分析。最后要對(duì)整橋模型做全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振穩(wěn)定性。

8 結(jié)語(yǔ)

安陽(yáng)橋橋梁建筑藝術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)美，造型獨(dú)特，橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造工藝難度大。該橋的設(shè)計(jì)也遇到了許多的難題，比如：軟土地基上大跨度拱橋水平力的釋放，空間拱橋的整體穩(wěn)定，主拱和主梁的連接方式、構(gòu)造處理，主拱和主梁的剛度匹配，主拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理，14條小拱變?yōu)榇蠊跋湮恢玫拇_定，大噸位鑄鋼件在橋梁工程中的應(yīng)用和空間鋼網(wǎng)拱結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)性能研究。安陽(yáng)橋不僅是橋梁建筑藝術(shù)的創(chuàng)新，也是橋梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，也是設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新。