東莞市濱海灣大道沙涌橋總體設計

王鵬

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司， 廣東 廣州 510060)

1 工程概況

東莞市濱海灣新區(qū)位于珠三角城市群東西岸交匯處，地處粵港澳大灣區(qū)核心圈的幾何中心，毗鄰港澳，緊連穗深，與前海、南沙等國家自貿片區(qū)緊密連接，由交椅灣、沙角半島和威遠島三大板塊組成。

濱海灣大道位于東莞市濱海灣新區(qū)長安新區(qū)板塊，大致呈東西走向，西起虎門鎮(zhèn)濱海大道、東至交椅灣大道，沿線與13條規(guī)劃路相交，并跨越兩條河道和兩處水體。濱海大道路線全長約5.52 km，規(guī)劃紅線寬80 m，主線雙向八車道+輔道單向兩車道，道路等級為城市主干路。

濱海灣大道跨越沙涌設置一座橋梁，全長120 m，橋梁全寬80 m。

2 總體設計

2.1 橋型方案設計

濱海灣大道沙涌橋所跨越河涌寬度約100 m，橋面較寬，景觀要求較高。一般的梁式橋，諸如連續(xù)梁或者連續(xù)剛構橋，施工技術成熟、施工相對簡便，橋型外觀簡潔，是非常經濟的橋型。但其景觀效果一般，且對于相對較寬的橋面會顯得十分笨重和臃腫。因此，在該項目中不宜采用。而對于斜拉橋與懸索橋，100 m左右的跨徑太小，不是其經濟跨徑，也難以體現(xiàn)出其雄偉的氣勢。此外，較窄的河面上采用較高的橋塔，環(huán)境景觀上會顯得突兀，與環(huán)境適應性較差。

拱橋作為一種古老的橋型，由于其線形優(yōu)美，跨越能力較強，特別是下承式鋼箱系桿拱橋其拱肋的尺寸較小，造型更加輕柔明快。而且這種橋型可以做成單跨簡支體系，無外部多余約束，特別適合在地質條件不好的濱海地區(qū)修建。因此，沙涌橋采用下承式系桿拱橋作為推薦方案。

該橋橫縱比例比常規(guī)橋偏大，用常規(guī)的拱橋，如單拱或雙拱，會讓整座橋呆板臃腫，力學上無法支承如此寬闊的橋面。為了化解這種現(xiàn)象，該橋采用多拱的方式。多拱力學性能好，造型變化豐富，能營造強烈的空間感受。

橋型方案在運用多拱組合的基礎上，提取浪花元素，運用體量對比的多拱呼應浪花的造型，以簡潔明快的姿態(tài)，展現(xiàn)東莞濱海灣新區(qū)的動感與活力。方案采用3條拱肋，中間主拱位于橋中央，吊桿垂直且僅拉一面；兩側邊拱位于輔路與干道之間，并向外傾斜與路面呈約75°夾角，吊桿分別拉在輔路及人行道兩側，呈現(xiàn)出浪花的動感。平面上通過人行道的蜿蜒變化，營造出與浪花遙相呼應的感覺。橋梁日景效果圖見圖1。

圖1 橋梁效果圖

2.2 橋型總體布置

橋梁所處位置河涌寬度約100 m，橋面到水面的距離不大，且河涌邊設有親水步道。為了使橋下行人獲得比較開闊的視野，采用一跨跨越河涌。因此，采用120 m下承式系桿拱橋，其立面布置如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖(單位：m)

根據道路總體設計，該橋橫斷面主線設置雙向八車道，輔道設置雙向四車道，兩邊設置人行道和非機動車道。全橋總寬度為80 m，采用整幅設計，其橫斷面如圖3所示。

圖3 橋梁橫斷面布置圖(單位：m)

3 技術標準

道路等級：城市快速路。

設計車速：主線60 km/h，輔道40 km/h。

設計荷載：汽車荷載：城—A級；人群荷載：3.0 kN/m2。

環(huán)境類別：Ⅲ類。

地震烈度：抗震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.125g。

設計洪水頻率：1/100，百年一遇潮水位3.46 m。

通航標準：該橋無通航要求。

4 結構設計

該橋結構為拱梁組合下承式剛性系桿拱橋。主拱采用三拱肋鋼箱結構，主拱處于豎直面內，兩邊拱向外傾斜，中間不設橫撐。主梁采用縱、橫梁交錯的梁格體系，拱肋下設置主縱梁，兼起到系桿的作用，梁端拱腳及吊桿斷面設置主橫梁，其余位置設置次縱梁與次橫梁。橋面采用鋼組合結構，鋼橋面板上焊剪力釘并澆筑50 mm厚 STC(Super Toughness Concrete-STC超高韌性混凝土)層，再在其上攤鋪40 mm厚瀝青混凝土磨耗層。

4.1 拱肋結構設計

主拱肋位于橋面中央，采用變截面鋼箱拱肋，拱腳與鋼箱縱梁固結，計算跨度為116.0 m，設計矢高為38.00 m，矢跨比為1∶3.05，拱軸線采用二次拋物線。

主拱肋采用倒梯形變截面箱形斷面，鋼箱高1.6～2.2 m，鋼箱頂寬2.0～3.0 m，鋼箱底寬1.6～2.45 m，標準斷面處頂、底板厚均為20 mm，腹板厚為16 mm。在梁拱結合部，拱肋頂底板加厚為30 mm，腹板加厚為25 mm。

除梁拱結合部、吊桿對應部位、拱肋分段處外，主拱肋沿水平方向間距2.5 m設置一道橫隔板；梁拱結合部與鋼箱梁相對應的橫隔板鉛垂設置，板厚與鋼箱梁內一致[1]；吊桿孔處橫隔板鉛垂設置；其余橫隔板垂直拱軸線設置[2]。

主拱肋頂板、底板、腹板以及梁拱結合部中間板上均焊有板式縱向加勁肋，加勁肋貫穿拱內各橫隔板。在豎直隔板處斷開與其焊接連接。

邊拱肋采用變截面鋼箱拱肋，拱腳與鋼箱梁固結，計算跨度116.0 m，豎向投影設計矢高23.5 m，矢跨比1∶4.936，斜拱平面內拱軸線采用二次拋物線。

邊拱肋采用變截面箱形截面，鋼箱高2.0～3.0 m，鋼箱頂寬2.0～3.0 m，鋼箱底寬1.6～2.4 m，標準段頂、底板、腹板厚均為40 mm。拱肋頂底板加厚為50 mm，腹板加厚為50 mm。其余構造與主拱相同。

4.2 主梁結構設計

主梁采用縱橫向梁格體系。與拱肋及邊吊桿相對應位置設置主縱梁，采用單箱雙室鋼箱形斷面。主拱肋下縱梁鋼箱高1.8 m，寬3.0 m。邊拱肋下縱梁鋼箱高1.5 m，寬4.0 m。邊吊桿縱梁鋼箱高1.2 m，寬2.0 m。鋼箱頂板厚度為20 mm，底板及腹板厚度均為16 mm[3]。主縱梁之間每隔3.0 m左右設置次縱梁，次縱梁為倒“T”字形，與橋面鋼板焊接。次縱梁腹板高度為1.0 m，底板寬度為0.4 m，底板及腹板厚度均為16 mm。

主縱梁之間采用橫梁連接，其中梁端拱腳位置設置端橫梁，采用單箱多室截面，由于受橋面橫坡的影響，箱梁采用變高度設計，鋼箱高1.2～1.8 m，寬度為8.0 m，鋼箱頂、底板厚度為25 mm，腹板厚度為20 mm。在吊桿對應位置設置吊桿橫梁，縱橋向間距為5.0 m。吊桿橫梁采用單箱雙室箱形斷面，梁高亦為1.2～1.8 m，寬度為2.0 m，鋼箱頂、底板及腹板厚度均為16 mm。在兩道吊桿橫梁之間設置次橫梁，次橫梁為倒“T”字形，與橋面鋼板焊接。次橫梁腹板高度為0.5 m，底板寬度為0.4 m，底板及腹板厚度均為16 mm。

4.3 吊桿設計

吊桿采用高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES(FD)低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護套[4]。吊桿上端采用耳板式錨固錨于拱箱外側，吊桿下端為張拉端，通過外加鋼板調平錨固于梁底。

中間主拱位于橋中央，吊桿垂直且僅拉一面，共設20根吊桿，吊桿縱橋向間距為5 m，采用PES(FD)5-73型低應力防腐拉索[5]，公稱破斷索力2 393 kN。兩側邊拱向外傾斜與路面呈約75°夾角，吊桿分別拉在輔路及人行道兩側。輔路側設置20根吊桿，采用PES(FD)7-127型低應力防腐拉索，公稱破斷索力8 162 kN。人行道側設置16根吊桿，采用PES(FD)5-55型低應力防腐拉索，公稱破斷索力1 803 kN。

5 計算分析

5.1 計算模型

該橋結構為全鋼結構下承式系桿拱橋，采用空間有限元分析軟件對全橋結構進行分析。在進行計算時，應用Midas/Civil軟件，結構計算參考設計圖紙的內容，以國家設計規(guī)范作為計算參數的標準依據。主梁采用空間梁格模擬，拱肋采取梁單元模擬，吊桿分析選用桁架單元模擬方法。全橋共劃分為3 014個單元，2 386個節(jié)點。全橋計算模型如圖4所示。

圖4 全橋計算模型

5.2 施工階段劃分

根據施工總體安排，共劃分8個施工階段：

階段1：完成樁、承臺及橋臺施工，并在支架上安裝主梁。

階段2～4：分段吊裝拱肋直至所有拱肋合龍。

階段5：安裝吊桿，并施加初始張拉力。

階段6：拆除拱肋支架。

階段7：拆除主梁支架。

階段8：完成橋面防撞欄,橋面鋪裝等附屬工程施工。

5.3 主要計算結果

5.3.1 靜力計算結果

在作用的基本組合下，主拱拱肋的最大拉應力為69.8 MPa，最大壓應力為150.3 MPa。邊拱拱肋全截面處于受壓的狀態(tài)，最大壓應力為230.0 MPa。縱梁大部分處于受拉的狀態(tài)，最大拉應力為197.0 MPa，縱梁所受的壓應力較小，最大也只有28.2 MPa。橫梁的最大拉應力為210.2 MPa，最大壓應力為183.1 MPa。各構件截面應力均未超過規(guī)范允許值。

主拱吊桿最大拉力為804.5 kN，安全系數達3.0。邊拱靠輔路側吊桿最大拉力為2 842.4 kN，安全系數達2.9。邊拱靠人行道側吊桿最大拉力為481.5 kN，安全系數達3.7。所有吊桿的安全系數均大于規(guī)范要求(2.5)。

在汽車活載作用下，橋梁結構的撓度如圖5所示。

圖5 全橋汽車活載撓度圖

由計算結果可知：汽車活載作用下，主梁的最大撓度為36.8 mm，主拱拱肋的最大撓度為29.5 mm，邊拱拱肋的最大撓度為27.7 mm。均未超過規(guī)范規(guī)定的L/500=240 mm，說明該橋的剛度足夠大，滿足規(guī)范要求。

5.3.2 動力特性分析

通過選用子空間迭代法，對全橋自振特性進行計算分析，具體結果如表1所示。

表1 自振頻率及振型

根據自振特性分析結果，采用了更多的振型參與動力計算；結構整體采用鋼結構下承式系桿拱橋體系，1階頻率達到1.435 Hz，結構整體剛度較大。

5.3.3 穩(wěn)定性分析

全橋穩(wěn)定性分析考慮全部恒載以及滿布汽車活載的工況。計算結果如表2所示。

表2表明：該橋的1階失穩(wěn)模態(tài)安全系數為12.058，滿足規(guī)范要求。

表2 失穩(wěn)模態(tài)及特征值

6 結論

東莞市濱海灣大道沙涌橋在運用多拱組合的基礎上，提取浪花元素，運用體量對比的多拱呼應浪花的造型，以簡潔明快的姿態(tài)，展現(xiàn)東莞濱海灣新區(qū)的動感與活力。該文主要介紹了該橋的總體設計特點，并采用Midas/Civil軟件進行有限元分析，對計算結果進行分析整理。計算結果表明該橋承載能力以及橋梁剛度等各項指標均滿足規(guī)范要求。得出以下結論：

(1) 采用單跨下承式系桿拱橋體系，外部為簡支的靜定結構體系，特別適合于濱海環(huán)境地質條件較差的地區(qū)。

(2) 該橋結構體系合理，各構件受力滿足規(guī)范要求。由主拱、邊拱組成的3片異形拱結構，具有良好的穩(wěn)定性。

(3) 中間主拱所承受的荷載并不大，但由于其只設置了豎直吊桿，且沒有設置橫撐，所以需要足夠的截面尺寸保證主拱的穩(wěn)定性，中間主拱也是控制全橋穩(wěn)定性的關鍵。

(4) 邊拱向外傾斜的角度為15°，拱肋受力十分不利，應合理地確定吊桿力，確保拱肋結構應力和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。