东莞水道特大桥设计

摘 要 东莞水道特大桥为一大跨度钢管混凝土中承式拱桥，主跨达280m。本文介绍了该桥的设计与计算要点，供同类桥梁设计时参考。

关键词 钢管混凝土 桁拱 设计 东莞

1 自然条件

东莞地区属来热带季风气候，光线充足、气候温和。相对湿度83.1%，常年平均气温21～220C，7月份平均气温28.20C，极端最高气温37.90C。1月份平均气温13.40C，极端最低气温-0.50C。流域濒临南海，受西南季风、东南信风和台风强盛活动影响，雨量充沛。但由于地形平坦，动力条件差，暴雨强度一般。多年平均降雨量1700mm，最大年降雨量2442mm，最小年降雨量1360mm，12小时降雨量最大可达259mm。时空分布不均，雨量多集中在4～9月份，占年降雨量的80%左右。本地区常年风向为东、东南风，其次为南风和北风，最大风速34m/s。夏秋季会受台风影响，平均每年发生台风1～3次，风力一般为6～9级，阵风11级，最大风力可达12级。

据地质钻探揭示，桥址东西两岸地质大致相同。表层为填筑土，其下为第四系冲积形成的淤泥、淤泥夹细砂、粗砂，第三系强风化、中风化及微风化泥灰岩，其中强风化泥灰岩仅在局部分布。基岩埋深，中风化泥灰岩15.2～21.8m，微风化泥灰岩18.6～29.0m。饱和单轴极限抗压强度，中风化泥灰岩为14.9MPa，微风化泥灰岩为24.5MPa。

桥址地下水主要表现为上层滞水、第四系孔隙压水和岩深水3种。场地地下水对混凝土在分解类腐蚀评价中具有弱腐蚀性，按规范要求应采取一级防护措施，混凝土应采用普通

硅酸盐水泥，标号不低于425号，水灰比不大于0.6，最小水泥用量不小于370kg/m3，C3A<8%。

桥址处地震基本烈度为6度，本桥按7度考虑设防。场地内未发现第四系全新活动断层，整个区域稳定性尚好，但在场地四层中中砂在7度地震作用下属轻微液化土层，为抗震不利地段；而在第六层弱风化泥灰岩中有小规模溶洞发育，但发育较弱。从安全角度出发，桥梁桩基础必须穿过岩溶发育地段进入稳定基岩。

2 主要设计标准

(1) 设计荷载：汽车-超20，验算荷载：挂车-120， 人群荷载：350kN/m2。

(2) 桥面宽度：桥面全宽按双向八车道外加人行道设计。横桥向上下行分离为两座完全独立且对称的桥。每幅桥面宽26.1m，具体组成为4.8m（人行道与栏杆）+0.5m（防撞护栏）+15.5m（行车道）+0.5m（防撞护栏）+4.8m（过桥水管和检修道与栏杆）。

(3) 通航标准：内河Ⅲ级般道，每个通航孔道净高≥10m，净宽≥40m，共设两个通航孔。通航水位按20年一遇洪水频率计算为4.516m（黄海高程）。

(4) 主桥线型：纵坡4%，竖曲线半径为6500m。

(5) 桥面横坡：双向1.5%。

(6) 地震烈度：基本烈度6级，按7度设防。

(7) 风力：基本风压强度W0=1200Pa。

3 桥型的选择

东莞水道特大桥是广东省东莞市五环路跨越东莞水道的桥梁。根据道路的线型要求，该桥在跨越东莞水道时处于弯道上，而且桥梁中心线与河道中心线成550C斜交角。航道局在航道平面图中给出了主航道的界线，主航道沿桥梁中心线长度为155m，桥梁孔径最小要求为主航道内不得立墩。与此同时，鉴于桥址处河道水文情况复杂，东莞水利勘察设计院提出要求，如果在水中设墩，桥墩要沿水流方向布置，也就是主桥要做成斜交桥。经过多方案比选，最后采用三孔50+280+50m中承式钢管混凝土系杆拱桥。这种桥型不但外型美观、宏伟、具有现代气息，而且构思新颖、结构合理。同时也能满足东莞水道的通航要求，避免了桥梁深水基础的出现，降低了主桥的主梁建筑高度，从而减小了引桥长度，因此是该城市道路上大型桥梁的一个较好的桥型。大桥的总体布置见图1。

图1 总体布置图

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东莞水道特大桥设计 (续)

三孔中承式刚架系杆拱因要平衡推力而带有两个悬臂半拱，又称自平衡式拱、自平衡式、飞鸟式或飞燕式。飞鸟式钢管混凝土拱的最大特点是充分发挥了材料的性能，以抗压能力高的钢管混凝土作为拱肋，以抗拉能力强的高强钢绞线作为拉杆，通过边拱肋的重量，随着施工加载顺序逐步张拉系杆中的预应力索，以平衡主拱所产生的水平推力，最终形成对拱座基础只有较小水平推力的拱桥[1]。这就大大降低了由于巨大不平衡拱推力所增加的基础费用，从而使拱座基础变得象梁式桥一样的轻巧，为大江大河上及地质不良地区修建大跨度拱桥提供了新的桥型。飞鸟式钢管混凝土拱又因其造型美观而被城市桥梁大量采用。根据桥位自然条件，东莞水道特大桥采用了主孔跨径达280m的飞鸟式钢管混凝土拱桥。主桥如大鹏展翅，气势宏伟，造型美观，建成后将成为东莞市的一大景观与标志性建筑。

4 主结构的设计要点

主拱计算跨径271.5m，计算矢高54.3m，计算矢跨比1/5，拱轴系数1.5。预拱度在拱顶取值0.45m。

主跨拱肋采用钢管混凝土空间桁架结构，肋间中距19.5m。主孔拱肋为等截面，拱肋全高为5.5m，全宽为2.5m，上下弦管为 1000 16mm的Q345c钢管混凝土，拱脚第一段钢管壁厚增至 1000 18mm。弦管间横向缀板为12mm厚的Q345c钢板。弦管及缀板内均填50号微膨胀混凝土。腹管为 500 12mm的Q345c的空钢管。拱肋从拱脚至拱肋以上约2m为钢管混凝土实心结构，全截面用混凝土填实。主拱肋构造见图2。

拱肋之间在拱顶处设一道平行风撑，拱顶两边共设12道K形风撑。

边拱为主拱的平衡孔，拱肋为半跨50m拱形结构，采用钢筋混凝土实心断面，端横梁位置断面尺寸为4.0m 3.19m（高 宽），其它位置为4.0m 2.5m（高 宽）。边拱端部锚有强大的预应力钢绞线系杆，边跨为具有体外预应力索的梁式结构。

每半幅桥共有吊杆49对98根。主拱肋间横梁和双吊杆横梁之间，吊点中心间距为7.5m，为双吊杆结构；其余吊点中心间距均为5m，为单吊杆结构。每根吊杆为91 7mm镀锌高强度低松驰预应力钢丝。钢丝的标准强度Ryb为1670MPa，吊杆为PE双护层保护，上下端均采用可调式冷铸墩头锚。

每片拱肋系杆采用16束31 j15.24钢绞线。钢绞线标准强度为Ryb=1860MPa。PE保护。系杆钢束设置在拱肋内外两侧和拱肋中间穿过，两端锚固于边拱的端横梁上，采用可换式专用锚具。

桥面系由横梁、加劲纵梁和行车道板组成。纵梁为矩形截面，固结于横梁。

吊杆横梁和立柱横梁为预应力混凝土A类构件，箱形截面，梁长26.1m，宽0.8m，高为1.622~1.722m；主拱肋间横梁为钢结构，箱形截面, 梁长26.1m，宽1.2m，高为1.5m。边拱肋间横梁与端横梁均为40号钢筋混凝土结构。

桥面行车道板在边拱端部四跨采用实心钢筋混凝土板；其余均采用钢筋混凝土 形板，板高0.35~0.45m。

桥面后浇层采用10cm厚40号钢纤维混凝土浇注，内设钢筋网。桥面铺装为5cmSMA

改性沥青。

主拱承台为整体实心钢筋混凝土结构，拱座为分离式实心钢筋混凝土结构，中间用系梁相连。主桥墩基础为24根 1.8m的钻孔灌注桩，桩长17.0~22.9m，为嵌岩桩。边墩为 1.8m双圆柱墩，由于地质情况不同，Z0号墩基础为 1.2m的钻孔灌注桩，而Z3号墩基础则为 1.5m的钻孔灌注桩。

图2 拱肋构造

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东莞水道特大桥设计 (续)

5 主结构的计算要点

5.1 计算模型

结构采用ANSYS程序进行空间模型计算。计算模型中，桥梁上部由拱肋（钢管混凝土主拱肋、钢筋混凝土边拱肋）、吊杆（单吊杆、双吊杆）、立柱、纵梁、横梁（主拱肋间横梁、边拱肋间横梁、吊杆横梁、立柱横梁）、桥面板、检修道板及人行道板组成；桥梁下部包括：主跨拱座、承台、桩基础；边跨墩、台、基础。计算模型为上下部组成的桥梁整体空间模型。计算单元模型如图3所示。空间模型共有2866个节点，共5836个单元。单元种类共52类。

图3 空间模型轴侧图 见附件

5.2荷载组合与荷载工况

按照《公路桥涵设计规范 JTJ 021-85》[2]，运营阶段主要考虑3种荷载组合。

设计荷载Ⅰ：1.2（0.9）恒载+1.4（汽车荷载+人群荷载）

设计荷载Ⅱ：1.2（0.9）恒载+1.4（汽车荷载+人群荷载）+温度荷载

设计荷载III：1.2（0.9）恒载+1.1挂车荷载

根据各截面内力影响线，拱肋主要截面的荷载工况有：

工况1：拱脚推力最大

工况2：拱脚负弯矩最大

工况3：拱脚正弯矩最大

工况4：L/8截面负弯矩最大

工况5：L/8截面正弯矩最大

工况6：L/4截面负弯矩最大

工况7：L/4截面正弯矩最大

工况8：拱顶正弯矩最大

工况9：拱顶负弯矩最大

5.3强度与变形验算

通过计算求得各种工况下的内力，进而求得各种荷载的内力组合，对不同弦杆以《钢管混凝土结构设计规程CECS 28:90》[3]验算钢管混凝土单肢柱的轴向承载力，均满足要求。限于篇幅，本文不介绍具体的计算过程与结果。

计算得各工况下桥面最大挠度为29.07cm，小于《桥规》[2]规定的容许挠度为L/800=35cm，因此，桥梁刚度满足设计要求。

5.4整体稳定性验算

运营阶段的整体稳定性计算了弹性一类稳定。恒载作用下，结构的第一阶失稳模态如图

4所示，稳定系数为5.706。

图4 恒载作用有系杆情况结构失稳模态 见附件

活载作用下，结构的失稳破坏模态与恒载作用下的相同（见图4），均为面外失稳，各荷载工况的弹性一类稳定系数见表1。

表1 活载作用下的弹性一类稳定系数

工况 稳定系数

拱圈轴力最大 5.491

拱脚正弯矩最大 5.554

拱脚负弯矩最大 5.641

L/8截面正弯矩最大 5.612

L/8截面负弯矩最大 5.567

L/4截面正弯矩最大 5.625

L/4截面负弯矩最大 5.566

拱顶正弯矩最大 5.573

拱顶负弯矩最大 5.597

从以上计算结果可知，最小稳定系数为5.491，满足大于4～6的要求。计算结果也表明，运营阶段的一类失稳模态第一阶均为面外失稳，因此该桥的面外刚度小于面内刚度，面外稳定是全桥稳定的关键。