安慶晴嵐路預應力混凝土門式剛構橋設計

王 驊，蘆可琪

（浙江城建設計研究院有限公司，浙江 杭州 310005）

0 引言

門式剛構橋，因其腿和梁垂直相交呈門架形，而簡稱門架橋。腿所受的彎矩將隨腿和梁的剛度比率的提高而增大，用鋼或鋼筋混凝土制造的門架橋,多用于跨線橋。

剛構橋按結構形式分類可分為門式剛構橋、斜腿剛構橋和T形剛構橋[1]；按分跨不同可分為單跨門構、雙懸臂單跨門構、多跨門構和三跨兩腿門構橋。

單跨門構適用于跨越運河及其他小河流的單跨橋梁，無需設置水中墩，它與同等跨徑的拱橋相比，具有較大的通航凈空；此外還適用于跨線橋。三跨兩腿門構橋，在兩端設有橋臺，采用預應力混凝土結構建造時，跨越能力可達100多米。但由于門式剛構結構溫度附加應力比普通結構大得多，通常情況下門式剛構結構不宜采用較大的跨徑。目前國內已建成幾座中等跨徑的門式剛構橋梁，最大跨徑為65 m。

1 工程概況

1.1 橋梁工程總體設計

為了貫徹安慶市委、市政府提出的“建設現代化雙百城市”的宏偉戰略目標，發揮安慶特有的豐富的自然和人文景觀優勢，突出安慶依山面水、帶狀組團城市空間構架——“兩方云山兩面江”、“半是山城半水城”的城市景觀格局，突顯近現代歷史文化，保護好歷史文化遺存，弘揚獨特的地域文化，落實安慶市城市總體規劃（2003～2020），對新河進行環境綜合整治，總投資約10億。本次橋梁工程隸屬于安慶市新河環境整治工程，所有的橋梁必須與新河景觀設計理念相匹配，一橋一景。

本次新河整個景觀帶整體分為4區，由西向東依次為濕地區、時尚區、活力區、休閑區，反映出由“自然—文明—高潮—回歸自然”的過程，由此新河的橋梁總體布置成為“一核·兩面·城市畫卷”的格局（見圖1）。

結合地理特色、人文、歷史的同時依據景觀的主題分區，將各種不同橋型融入其中，展現安慶的特點特色，總體橋梁布置如圖2。

其中4號橋即晴嵐路橋，剛勁卻又飄逸的主梁，渲染成紅色，酷似紅色的飄帶，剛柔并濟，取意于黃梅戲戲服上的飄帶，將其取名為“紅舞宜城”。

1.2 晴嵐路橋型設計介紹

1.2.1 橋梁主題立意

此橋位于景觀分區中的“時尚區”，是橋梁建筑總體立意兩面中的西面，展現“自然、人文歷史”主題。黃梅戲是起源于安慶的中國傳統戲劇，如今，紅色時尚，戲曲時尚，為時尚的定義拓展了更加寬廣的空間和深厚的內涵，民族的也是世界的，傳統的也是時尚的。因此，該橋采用輕盈飄逸、結構新穎的門式剛構橋型一跨過河，以紅色進行渲染，將主梁營造出黃梅戲舞臺上那根飄舞的紅飄帶，該立意與黃梅戲的標志有著異曲同工之妙；在橋梁兩端采用花崗巖干掛浮雕，浮雕圖案可采用黃梅戲經典劇照《天仙配》、《夫妻觀燈》、《藍橋會》等。

此橋體現了歷史與自然的融合，傳統與時尚的承接，與景觀節點藍林相會遙相呼應，向游人展現安慶深厚的文化底蘊，講述安慶人在繼承和發揚傳統文化的同時發生的那一個個與浪漫有關的時尚故事。

1.2.2 橋型設計

本次設計的門式剛構橋采用單跨62 m，橋長73 m。主梁采用變截面的預應力鋼筋混凝土箱梁，跨中梁高1.8 m，梁底曲線采用二次拋物線，形成優美的弧線，一跨過河。與傳統剛構橋的不同之處在于，它不在水中設橋墩，將下部結構減少到只有兩個橋臺，這樣的設計使其體現了輕盈飄逸的特點（如圖3）。正如安慶傳統文化——黃梅戲舞臺上那根飄舞的紅帶，簡潔而不失韻味，典雅而又有詩意，也正符合了該區塊建筑形式的規劃特色——自然與人文歷史。

圖1 橋梁整體立意分析圖（一）

圖2 橋梁整體立意分析圖（二）

圖3 晴嵐路橋效果圖

1.2.3 建筑設計

主梁采用紅色外墻防水涂料渲染，欄桿底座外側采用紅色仿古磚鑲邊。橋梁兩端的兩側門式剛架表面采用方形花崗巖干掛浮雕，全橋共4面，浮雕圖案采用黃梅戲經典劇照陽刻。橋梁欄桿采用簡潔，淺灰色調，可塑性強的仿石欄桿，一方面方便在欄板上雕刻各種戲曲文化圖案；另一方面，淺色調且不厚重的欄桿可突出主梁、浮雕的主題風格，盡量減少欄桿對橋梁建筑的整體風格的影響。

1.3 橋型布置

上部結構：橫斷面為0.25 m（欄桿）+4.5 m（人行道）+8.0 m（行車道）+8.0 m（行車道）+4.5 m（人行道）+0.25 m（欄桿）=25.5 m，梁體采用單箱多室截面，梁底曲線為圓曲線，梁頂各變坡點處均設圓形豎曲線。橋面縱坡通過箱梁頂面縱坡形成。

箱梁跨中高度1.8 m，端部高度3 m，底寬22.9 m，頂寬25.5 m，兩邊挑臂各1.3 m。為增加梁部板體的抗扭剛度，每隔5.2 m設一道橫隔板。

豎墻及斜墻：采用V字形預應力鋼筋混凝土矩形截面，由豎墻及斜墻組成，采用壁厚0.6 m的薄壁實體結構，豎墻與斜墻間由兩道寬0.6 m的實體墻連接。

基礎：橋梁設三排樁的群樁基礎，采用φ120鉆孔灌注樁。

預應力體系：梁體及斜墻按A類預應力設計。梁體預應力鋼束分別采用 17φ15.2、13φ15.2、9φ15.2高強度低松弛預應力鋼絞線。剛構負彎矩區頂面設置13φ15.2鋼束，腹板設17φ15.2通長彎起鋼束，梁端區域范圍內設置9φ15.2鋼束。

1.4 主要建筑材料

（1）混凝土：斜墻、梁體采用C50混凝土;承臺采用C30混凝土;橋面鋪裝采用瀝青混凝土;樁采用C25水下混凝土。

（2）預應力鋼絞線：采用符合GB/T 5224－2003標準高強度低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk=1 860 MPa，彈性模量 Ep=1.95×105MPa，松弛率為3.5%，鋼絞線規格為φ15.20 mm。

2 結構計算與結果分析

2.1 模型建立

本次設計模型計算跨徑62 m，主梁跨中截面高度1.8 m，端部截面高度3 m。參考公路門式剛構橋設計資料，一般情況下，跨中梁高與主梁跨度的比值可取1/30～1/35，該橋設計為1/34.444，跨中梁高在合適范圍內；而根部梁高與跨中梁高之比一般取1.2～2.5，該設計為1.667，說明根部梁高設計也較合適[2]?；钶d按照JTG B01-2003規范取車道荷載及人群荷載；系統溫度按照升溫25℃，降溫15℃取值；溫度梯度按照JTG D60-2004規范考慮升溫梯度及降溫梯度[3-4]。

支座采用彈性支座，根據群樁基礎的分布情況及現場的地址條件得出：順橋向剛度為1 234 567 N/mm、豎向剛度33 333 333 N/mm、轉角剛度 46 000 000 kN·m/[rad]。

張拉控制應力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa，9φ15.2預應力鋼絞線張拉力為1 757.7 kN，用外徑為80mm的波紋管成孔；13φ15.2預應力鋼絞線張拉力為2 538.9 kN，用外徑為90 mm的波紋管成孔；17φ15.2預應力鋼絞線張拉力為3 320.1 kN，用外徑為90 mm的波紋管成孔；采用YCW150B型千斤頂張拉。

門式剛構橋為超靜定結構，而橋臺的不同構造（如橋臺的高度、厚度、斜墻與豎墻的間距及斜交角），對全橋的內力分配起著較大的影響，即橋臺所受的彎矩將隨橋臺和梁的剛度比率的提高而增大。橋臺的高度、斜墻與豎墻的間距及斜交角往往受到橋位和橋梁標高等因素的控制，常常不能隨意調整，因此在本次設計過程中，根據斜墻與豎墻厚度的不同，提出了兩個不同的方案，并分別采用Midas/civil軟件建立模型，進行計算，全橋劃分284個梁單元。

（1）模型一：橋臺斜墻與豎墻取60 cm（見圖4）；（2）模型二：橋臺斜墻與豎墻取100 cm。

2.2 模型一計算結果

模型一在彈性階段荷載組合下，上下緣應力包絡圖如圖5、圖6。

從圖5中可以看出，剛構橋上緣應力最不利點出現在單元128左截面、單元229右截面（該截面既出現在負彎矩最大值處，又是實心段截面與箱型截面的分界點）、跨中單元截面。

從圖6中可以看出，剛構橋下緣應力最不利點出現在單元135（梁端部鋼束結束點）、跨中截面以及橋臺斜墻、豎墻的兩端。

圖4 模型立面圖

圖5 上緣應力圖包絡圖

圖6 下緣應力圖包絡圖

2.3 模型一與模型二計算結果比較

兩個模型的不同點在于橋臺斜墻與豎墻厚度的不同，也就說明模型二橋臺的剛度要大于模型一的橋臺，根據結構力學的理論，模型二的橋臺必然要比模型一的橋臺分擔更多的內力，因此作者在建立橋臺模型時根據初次計算結果調整了斜墻鋼束的配筋量，模型二斜墻采用12φ15.2和13φ15.2的鋼束，而模型一橋臺斜墻采用9φ15.2和12φ15.2的鋼束（兩個模型鋼束的根數相同）。選取了梁的端部反彎點、1/4跨、跨中截面及斜墻和豎墻兩端的最不利應力，計算結果匯于表1。

表1 應力匯總表

2.4 結果分析

從表1中可以看出，橋臺剛度變化所引起的結構內力分配變化主要體現在上部梁體的跨中單元以及橋臺斜墻、豎墻的兩端，且各有利弊。

（1）加大橋臺截面的優點

橋臺剛度變大后對上部梁體的跨中截面應力是有利的，上緣壓應力由模型一-11.9 MPa減小到模型二的-11.7 MPa；下緣壓應力由模型一-1.3 MPa增加到模型二的-1.4 MPa。與此同時，隨著截面的加大，斜墻下緣壓應力最大值也由-10.2 MPa減小到模型二的-7.7 MPa。

（2）加大橋臺截面的弊端

顯然，橋臺剛度的提高，增加了橋臺自身的附加內力，再增加鋼束數量的同時，上緣壓應力卻平均下降2 MPa。

3 結語

從對剛構橋特性的了解，我們認識到門式剛構橋的構思是利用橋臺與上部結構的固接構造，使跨中彎矩減小，同時在橋臺與梁結合處產生彎矩與推力，從而達到提高單跨跨徑的目的。通過建模計算、比較分析后，我們又注意到橋臺剛度的變化直接影響到整個結構的內力分布問題。從本次設計情況看，適當增加橋臺截面有利于減小上部梁體跨中彎矩，但效果并不明顯，卻付出了相對更高的經濟代價，在原本能夠滿足設計要求的情況下，對實際工程項目來說是不太合理的，因此在本次設計中，采用斜墻壁厚60 cm的方案。

[1]林元培.橋梁設計工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[4]邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設計與計算[M].北京：人民交通出版社，2007.