大跨斜拱曲梁多重组合
桥梁原理及应用实践
关于作者
宁平华
宁平华
广州市市政工程设计研究院有限公司
首席科学家
广东省工程勘察设计大师
高级工程师
主持并负责项目
广州塔南广场设有珠江两岸步行景观桥
清远市北江四桥工程
珍珠湾大桥项目
芳村大道南快速改造工程
从化大桥工程
潮州大桥工程
梅州广州大桥工程
绵阳接待厅一号桥工程
佛山南繁大道建设项目
广州中山大道快速公交（BRT）试验线项目
河东大桥工程
主持科研项目
特大跨双层三主桁钢桁架拱桥抗震分析及减震隔震措施研究大跨混合梁斜拉桥换缆关键技术研究；高烈度地震区大跨双曲单塔刚构PC斜拉桥设计关键技术研究；双塔单索平面超宽钢箱混合梁斜拉桥关键技术研究；桥梁加固设计理论与应用关键技术研究
屡获殊荣
享受国务院政府特殊补助
国家级及部级奖29项；省级奖项38项
世界人行桥金奖（2023）
全国五一劳动奖章（2022年）
广东省南粤工匠（2021）
广东省市政工程优秀总工程师（2020）
全国勘察设计行业庆祝新中国成立70周年成为科技创新领跑者（2019）
广东省市政行业领军企业
专着
《广州从化大桥勘察设计关键技术》
《清远周心大桥勘察设计关键技术》
《叠层曲线斜拉桥设计技术》
《城市空间结构设计与施工技术研究》
杨燎原
杨燎原
广州市市政工程设计研究院有限公司
总工程室副主任（大师工作室主任）
高级工程师
主持并负责项目
万环西路南延线（石榴涌半段至海堤段）工程
如意坊辐射系统项目（二期）
南沙至中山高速公路项目
广深高速公路-开开大道立交工程
主持科研项目
城市桥梁绿色施工设计关键技术研究
屡获殊荣
荣获多项国家、省、市优秀工程勘察设计奖，其中国家级2项、省级7项、市级15项；荣获中国建筑业企业管理协会工程建设科技进步奖1项、广东省市工业协会科学技术奖5项、广东省工程勘察设计协会科学技术奖1项；广州市公路协会优秀技术人才
胡惠勇
胡惠勇
广州市市政工程设计研究院有限公司
副总工程师
高级工程师
主持并负责项目
广州海心大桥
广州珍珠湾大桥
沙湾水道大桥
茶神大道大桥
机场三期流溪河特大桥
主持科研项目
大跨度曲梁空间拱组合体系景观人行桥关键结构精细化设计研究
屡获殊荣
2023年世界人行桥金奖；省科协科学技术奖一等奖9项；全国优秀勘察设计奖2项；省级优秀勘察设计奖、咨询奖6项
摘要：以广州海心大桥为例，阐述了大跨斜拱曲梁多重组合结构的设计原理、结构特点及关键技术。其中，钢-混凝土组合空间拱肋、UHPC包裹钢箱混凝土组合拱肋、刚架组合承台、型钢-混凝土组合抗推桩、跨坐式组合桥台等创新结构均满足使用需求，风景和压力。和耐用性需求。通过分析比较和实际应用，验证了多重组合结构具有良好的力学性能和性能，使该桥成为世界上跨度最大、桥面最宽的桥。
关键词：斜拱曲梁； UHPC包裹钢箱混凝土拱肋；刚性框架复合帽；跨接复合基台；型钢混凝土组合抗推桩
大跨斜拱曲梁组合桥原理及应用实践
摘要：以广州海心大桥为例，阐述了大跨斜拱曲梁多重组合结构的设计原理、结构特点及关键技术，其中包括钢-混凝土组合空间拱肋、UHPC等创新结构。包裹钢箱混凝土组合拱肋、刚性骨架组合底板、钢筋混凝土组合抗推桩、跨骑式组合桥台均满足使用、景观、受力、耐久性的需要。通过分析比较和实际应用，验证了多种组合具有较好的力学特性和运行性能，使该桥成为世界上跨度最长、桥面最宽的斜拱曲梁跨江景观人行桥。
关键词：斜拱曲梁； UHPC包裹钢箱混凝土拱肋；刚性骨架复合底板；跨式复合基台；钢骨混凝土复合抗推桩
DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2024.11.003
CLC分类号：U441+.5
引用格式：宁平华，杨燎原，胡慧勇。大跨斜拱曲梁组合桥原理及应用实践[J].城市道路、桥梁与防洪，2024（11）：9-12。
文本
0 简介
随着国民经济的发展和人们审美意识的不断提高，桥梁工程也朝着大而美的方向发展。世界各地正在建造美丽的桥梁[1]。
随着桥梁跨度的增大，其设计难度也不断增大；同时，结合桥梁美学[2]，对桥梁造型和工艺的要求也在不断提高。本文结合广州海心大桥，讲解大跨度斜拱曲梁跨江多重组合结构设计的结构特点及关键技术，为大跨度斜拱曲梁设计提供有益参考。 。
1 项目概况
海心大桥位于广州新中轴线西侧。北岸是广州珠江新城CBD商务区，南岸是广州标志性建筑——广州塔。由一座钢拱主桥和南北两侧各2×40m钢箱组成。它由一座梁式引桥和四个亲水平台组成。其主桥为斜拱曲梁桥，拱跨198.152 m，桥宽15 m。是目前世界上最大、桥面最宽的斜拱曲梁人行桥；钢拱边跨在平面内分支并单独连接。岸边有海滨平台和引桥。
人行天桥分为东西两侧的两条步道，其边缘由平面上的三个圆弧组成。钢拱主跨与其东侧跨、引桥、东水上平台共同构成东侧步道，长约500m中山钢结构防腐，平面上为R=129.1m的弧形；由于长期开发，线路长度和缓坡满足了无障碍行人的需求，可作为慢行步道。钢拱主跨与西侧跨组成西侧走道，长约273m；用梯子连接岸边的海滨平台，沿着岸边道路走。桥梁满足宽156m、高10m的通航净空要求，实现与岸边道路水平连接，与堤岸景观融为一体。
2 设计标准
(1)人群荷载：4.0 kN/m2。
(2)桥宽：15m。
（3）主桥最大纵坡：8.3%。
（4）设计洪水频率：200年1次，+8.38m（广州城建高程系）。
(5)最高通航水位：+7.374 m；最低通航水位：+3.694 m。
(6) 航行净空：156 m（宽）×10 m（高）。
（7）地震烈度：抗震设防烈度为7度，基本设计地震加速度为0.10g，设计地震为第一组，建筑场地类别为II类，特征周期为0.35s。
（8）设计风荷载：桥位10 m处100年重现期基本风速U10=32.2 m/s。
(9)结构设计参考期：100 a。
3 拱梁刚性组合结构体系
主桥采用超大跨度曲梁、斜拱多重组合结构体系。拱梁墩采用全固结法。跨中主梁在水平面投影的曲线突出方向与拱肋在水平面投影的曲线突出方向相反。另外，拱肋通过吊杆与跨中主梁连接，固定跨中主梁，使人行天桥结构形成拉力，增加结构的稳定性。由于采用的梁、拱均为曲线结构，通过拱、梁的呼吸变形可以很好地适应温度变化引起的结构变形。
在自重和人群荷载的作用下，桥梁荷载的一部分通过吊杆传递到拱上，再从拱上传递到基础上。另一部分荷载通过梁传递至拱梁节点和支架，然后从拱肋节点或支架传递。传至基地。跨中截面为整体箱梁，箱梁核心为单箱双室封闭截面。钢箱本身的扭转刚度抵抗不平衡载荷产生的扭矩[3]，如图1所示。
(a) 纵向力传递
(b) 横向力传递
图1 主桥结构受力系统
4 钢-混凝土组合空间拱肋
拱轴线为二次抛物线，拱跨为198.152 m，矢状高为57.95 m，矢状跨比为1/3.4。拱肋反向倾斜10°，以平衡主梁弯曲产生的倾覆力矩。为保证外观修长，减少阻水面积，断面采用单箱三室圆端钢箱拱肋，高度为2.6m。从上到下变宽4.2~6.5 m（见图2）。拱肋顶部、底部及腹板厚度为36~40mm，并设有板式加劲肋。加劲肋厚36毫米，高300～400毫米，间隔500～882毫米排列。纵向每隔2.1～4.0m设置一个隔断。隔断布置成与拱轴线正交。臂架处的加强隔板与臂架共面，材质为Q370qD钢。
图2 从第一根电缆到拱顶的剖面
主梁底板下方拱肋外侧设置短螺柱，并覆盖10 mSTC层。拱肋从拱脚至拱梁交界处上方第一横隔板全段采用C60混凝土浇筑（见图3）。
图3 桥面下方压力区组合剖面
（单位：毫米）
从拱梁交界处上方第一横分区至第一吊杆分区，西压力区圆端段仅浇注C60混凝土（见图4）。其他位置不再浇筑混凝土。
图4 桥面上方至第一索区的组合剖面
（单位：毫米）
钢箱拱肋外观细长中山钢结构防腐，重量轻，有利于减小拱脚处的推力，但拱肋提供的刚度有限。拱肋内浇筑混凝土可以增加刚度，改善上部结构的受力，但同时也增加了拱脚的推力，对地基提出了更高的承载力要求。为了找到两者的平衡点，进行了大量的精密计算和参数化比较，最终采用了部分钢-混凝土组合拱肋方案，即桥下拱肋全断面桥面浇筑混凝土，桥面以上受压区室内浇筑混凝土；在增强拱肋刚度、改善主梁受力的同时，也将拱脚推力控制在合理范围内。
5根UHPC包裹钢箱混凝土拱肋
桥面以下拱肋外壁包裹10厘米超高性能混凝土（UHPC）层，将拱肋钢板与水隔离，解决了钢结构在水中的防腐问题，提高了桥面抗腐蚀能力。耐用，并节省维护成本（见图5）。
图5 UHPC封装结构图
同时，在钢拱外墙与混凝土之间等间隔设置多个连接件，进一步加强钢拱与混凝土层的连接强度，防止相对位移。同时，连接件还可以改善钢拱与混凝土层之间的连接。可以降低钢拱之间的剪力阻力，减少外界对钢拱的影响，提高抗碰撞能力[4]。
6 刚架组合平台
桥台呈棱柱形，高5 m，顶面尺寸为3.24～6.23 m（纵）×15（横）m，底面尺寸为13.4～17.39 m（纵）×20（横）m。 ;平台高度为6.5 m。平面尺寸为20mm钻孔桩，成排布置，桩基纵向、横向中心距均为7.5m。为了减少拱脚弯矩对桩基造成的不平衡轴力，群桩中心相对于拱脚中心纵向设置。偏离中心 2.0 m。
平台内有横梁和下弦杆组成的刚架。下弦杆等间隔平行布置，横梁等间隔平行布置。下弦杆与下弦杆固定连接，两根平行的下弦杆通过横梁连接。平面稳定框架使平台内部整体结构用于锚固桩基础，如图6所示，解决了拱肋抵抗弯矩、剪力和扭矩的问题。还可以减小承台平台的体积，适应更加复杂的环境，减小桥梁跨度，可以降低承台施工的难度和对周围环境的影响。
图6 刚构组合承台推力桩示意图
7型钢混凝土组合抗推桩
该桥为推力拱结构，桩基直径3 m。桩顶将承受巨大的剪力。盲目增大桩基直径会导致成本增加和施工困难。该项目创新性地在钢筋混凝土桩顶添加型钢。 ，提高桩基的抗推力，保证结构的安全[5]。
8跨座式组合桥台
步道通过现浇混凝土亲水平台与路堤相连。亲水平台为实心混凝土板，厚度为0.75 m。平台下部结构为直径0.8m的钢筋混凝土圆柱墩和直径1.0m的钻孔（冲孔）灌注桩。平台与桥墩柱采用固结，如图7所示。西侧步道通过混凝土楼梯与路堤连接，并固定在主桥墩上。混凝土楼梯为变高实心混凝土截面，厚度为0.75 m。楼梯底面形状与主桥钢箱梁外轮廓一致，如图8所示。
图7 东北侧楼梯立面图
图8 西南侧楼梯立面图
9 多种组合结构受力分析
9.1 计算模型
采用MIDAS Civil 2019进行建模分析，考虑结构的空间效应。采用板单元模拟主梁和拱肋，对隔板和内腹板进行详细模拟。仅承受拉力的桁架单元用于模拟吊杆。全桥共有7831个节点、11564个单元。
桥梁边界条件如下：
(1)将拱肋延伸段的所有节点与拱轴线与桥台顶面相交处的节点进行刚性连接；
(2) 将承台平台底部节点与桩基础顶部节点刚性连接；
(3)桩基础(直径3 m)采用M法进行节点弹性约束;
(4) 对边跨梁端部的两个支撑施加竖向约束，约束其中一个支撑的横向位移，并设定节点梁端部节点的局部坐标系；
(5)采用拱肋与主梁固结位置共享节点的方法进行拱肋固结模拟。
比较以下拱肋组合的全桥应力：
方案一：完全不浇筑混凝土；
方案2：仅浇注从拱脚到拱梁连接处上方第一隔板的整个拱肋部分。
方案3：拱肋从拱脚至拱梁交界处上方第一横隔板全断面浇筑，仅在西侧从拱梁交界处第一横隔板至第一吊杆隔板进行全断面浇筑。填充压力区域的圆端部分。
方案4：拱肋从拱脚至拱梁交界处上方第一横分区全段浇筑，拱梁交界处上方全段浇筑在西压区圆端段内。
施工阶段划分见表1。
表1 施工阶段划分一览表
9.2 动态特性
该桥为空间拱梁组合结构，斜拱肋、曲线主梁。结构模态振型复杂，自振频率如表2所示。
表2 固有频率计算结果。单位：赫兹
计算分析表明结构的一阶振型均为横向位移振型。桥面以下整个截面浇筑混凝土后，结构频率增加。随着浇筑高度的增加，桥面上方混凝土受压区的结构频率首先增大。增幅正在减少。经过综合比较，最终采用方案3。
9.3 桥梁状态下的结构变形
由表3可知，成桥状态拱肋竖向变形最大发生在跨中南侧；主梁最大竖向变形发生在跨中两侧，为大节段架设的累积变形；拱肋侧向变形最大发生在拱的跨中，表现为向西弯曲；主梁最大侧向变形发生在跨中，表现为向西变形。
表3 桥梁状态结构变形单位：mm
9.4 活荷载下的结构变形
人群荷载包络线下结构竖向变形最小发生在主梁跨中位置，最大竖向位移发生在拱肋（7#吊杆）1/4跨附近，表现为向上举升；人群荷载包络线下的结构横向变形最小，发生在拱肋（7#吊杆）1/4跨度附近，且呈东向变形。最大横向变形出现在拱肋跨中位置，且呈向西方向（见表4）。
表4 活载作用下的结构变形 单位：mm
9.5 足弓反力
钢箱拱肋外观细长，重量轻，有利于减小拱脚处的推力，但拱肋提供的刚度有限。拱肋内浇筑混凝土可以增加刚度，改善上部结构受力，但同时也增加了拱脚的推力，对基础提出了更高的承载力要求（见表5）。
表5 恒定负载下的足弓反力
10 结论
广州海心大桥的应用实践表明，斜拱曲梁全固定结构体系及相应的多重组合结构具有良好的受力性能和耐久性能。该桥发明的多重、多重组合施工技术在国内外首次应用，取得了良好的社会效益和经济效益，为大跨度跨江桥梁建设提供了创新的解决方案。
参考：
[1] 张杰，孙建光。桥梁美学设计方法探讨[J].公路运输技术，2014（1）：150-153。
[2] 何丕庄.桥梁美学[M]．北京：人民交通出版社，1999。
[3] 杨勇，胡惠勇，乐小刚，等。广州海新大桥主桥设计[J].桥梁建设, 2023, 53(6): 119-126.
[4] 张松涛，乐小刚，胡惠勇，等。大跨度城市步行景观桥抗碰撞性能分析[J].中国市政工程，2022（4）：33-37。
[5] 杨勇，杨春山，胡惠勇，等。多向荷载作用下超大直径群桩基础方案评价[J].地下空间与工程学报, 2023, 19(3): 973-980.
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