惠州鹅城大桥总体设计

学以致用3 2023-08-09 发布于广东

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【摘要】惠州鹅城大桥连接惠州江北中心区与水口中心区，以东江之“水”、惠州之“鹅”为主要元素进行主桥演绎设计，采用（50＋180＋180＋50）m四跨连续斜跨异型下承式系杆拱桥，采用钢梁钢拱结构，拱梁固结、墩梁分离。

主桥采用竖向和水平向分离的组合式支撑体系；拱跨标准段、梁跨标准段及拱梁结合段主梁分别采用分离式双小边箱＋工字梁、半封闭双小边箱及全封闭整箱横断面；拱肋系统由主拱肋、副拱肋、主副拱肋间斜杆、副拱肋间曲杆和曲杆间水平拉索组成；吊杆呈空间放射布置，吊杆上锚点通过锚管或锚梁锚固于主拱拱肋内，下锚点通过钢锚箱锚固于主梁外侧斜腹板上；鹅形塔柱为空间曲面塔柱，根部与主梁固结形成整体刚性节点；桥面铺装采用UHPC桥面铺装。

主桥施工采用先顶推主梁再梁上少支架竖转架设拱肋的分部顶推和架设方案。

【关键词】斜跨异型下承式系杆拱桥；钢梁；钢拱；鹅形塔；UHPC铺装；顶推施工；支架竖转；桥梁设计

1 工程概况

鹅城大桥位于惠州市北部，作为连接惠州江北中心区与水口中心区的过江通道，大桥不仅承载了过江交通通道的运输功能，也是东江乃至整个惠州市景观的一部分。因此，大桥设计时需重点考虑桥梁景观效果及与周围景观的协调性，将鹅城大桥打造为惠州地标性建筑。

惠州鹅城大桥效果图

位置示意图

鹅城大桥主桥桥位区下伏基岩主要为白垩纪南雄群浈水组（Kzhsh）泥质砂砾岩，桥梁基础采用中风化或微风化泥质砂砾岩作为桩端持力层。工程所在地属珠江三角洲东北、东江中下游地区，为亚热带季风性湿润气候区，年平均气温21.6～22.0℃，年平均湿度79％，最大风力达七级。该桥设计的主要技术标准如下。

（1）道路等级为城市主干路；设计车速为50km/h。

（2）设计荷载为城—A级，非机动车和人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ11－2011）（2019年版）取值。

（3）设计安全等级为一级，设计基准期为100年。

（4）地震设防标准：地震基本烈度为6度；地震动峰值加速度为0.05g，场地类别Ⅱ类；抗震设防分类为甲类；抗震措施等级为7度。

（5）抗风设计标准：10年重现期基本风速为28.9m/s，100年重现期基本风速为34.5m/s，场地地表类别为B类。

（6）水文标准：设计洪水频率为1/100，设计洪水位＋18.622m（1985国家高程），常水位＋11.5m。

（7）通航标准：内河Ⅲ级航道，单孔双向通航，通航净空为110m×10m，航评要求通航净空为145m×10m；最高设计通航水位＋17.16m，最低设计通航水位＋9.24m。

（8）防船撞重要性等级为C1级。

2 桥梁方案构思及总体设计

2.1方案构思

该桥桥位位于东江东段，水面宽约620m，桥梁落地位置接入两岸既有道路，全桥布局空间较为开阔，且附近未规划高层建筑群。作为周围惟一规划的大型建筑，该桥需要承担重要的城市景观功能。为实现桥梁造型与桥梁所在地的协调统一，首先需要确立景观定位，并详细调查桥址自然、人文等环境，抽取代表性设计元素运用于桥梁造型设计，以获取桥景协调统一的桥梁方案。

鹅城大桥作为一个地标性建筑，其景观应与惠州地域文脉相结合，与城市和谐共生。考虑到东江东段上既有桥梁型式主要为拱桥和梁桥，与桥位距离最近的2座桥梁分别为上承式多孔拱桥和中承式拱桥，故为了保持东段桥梁景观的一致性，且避免与现有的桥梁造型重复，鹅城大桥采用下承式系杆拱桥。主要造型元素为曲线多变的拱和直线的梁的拱桥在艺术表现上更为圆融、温和，与环境的呼应更为和谐，结合鹅塔元素使桥梁景观既与现有景观融合，又具有独特的景观亮点。

鹅城大桥主桥方案构思如图1所示。

图1 鹅城大桥主桥方案构思

桥梁跨径布置应根据桥位现状河床断面、防洪影响、航道等级、周边道路和堤坝环境、桥面舒适性、结构受力、景观性和经济性等因素共同决定。

考虑河道断面（常水位下桥位处东江河面宽度约为620m）和防洪影响，为减少桥墩阻水面积、降低阻水率，应尽可能减少大堤内桥墩数量；为满足《航道通航条件影响评价报告》中“通航净宽不小于145m，通航净高应不小于10m，通航净空尺度满足Ⅲ级航道标准”的要求，以及大堤堤顶净高不小于5.5m的要求，最终桥跨布置采用（50＋180＋180＋50）m，东侧180m主跨为现阶段单孔双向通航孔，西侧180m主跨为远期航道发展和船舶航运预留提升空间。

综上，鹅城大桥主桥采用（50＋180＋180＋50）m四跨连续斜跨异型系杆拱桥，采用钢梁钢拱结构，拱梁固结、墩梁分离体系；鹅塔采用钢塔，与主梁固结。

主桥立面布置如图2所示。

图2 鹅城大桥主桥立面布置

主桥方案以东江之“水”、惠州之“鹅”为主要元素进行演绎设计，空间拱肋和中心塔整体感观优美简洁，细部构造刻画传神，再配合放射拉开的吊杆索面，形象勾勒出天鹅曼妙的身姿。

方案造型以现代的笔触呼应了“鹅城”的千年美称，拱肋将天鹅双翼的美丽形态凝固下来，总体富有张力的造型呈现出待发的静态美和一种平衡的力量感。空间拱肋之间通过阵列有序的风撑杆件相连，配合以散射布置的吊杆，在精细雕刻天鹅翅膀形态的同时，进一步增强了全桥的层次感。整体造型既有宏观大型的展现，也有细节处的精心雕琢，充分展现出丰富的城市活力，突出了惠州以自然山水为核心的生态城市格局。

2.2 总体设计

该桥主桥平面位于路线直线段上，引桥平面位于路线曲线段上。主桥最大纵坡为1.113％，东、西侧引桥最大纵坡分别为3.845％、3.99％；主桥桥面设计高程为＋32.588～＋34.091m，引桥桥面设计高程为＋19.609～＋32.588m。

桥面标准断面宽45m，边拱脚桥面加宽至49.5m。主梁横断面拱跨标准段、梁跨标准段及拱梁结合段分别采用分离式双小边箱＋工字梁结构、半封闭双小边箱结构及全封闭整箱结构。支点位置主梁横断面如图3所示。

图3 支点位置主梁横断面

3 结构设计

3.1 支撑体系

主桥采用竖向和水平向分离的组合式支撑体系，竖向支撑采用减震球钢支座］，水平向支撑采用金属阻尼器。主墩上设置6个支座，考虑在纵向温度荷载下变形需求，设置±5mm位移，施工时需同时对称释放6个支座纵向位移，以免结构偏移。

3.2 主梁

主梁采用正交异性钢桥面板多片主梁形式，标准段宽度为45m，在边拱脚位置加宽为49.5m，主梁中心线处梁高3.5m，主梁横断面拱跨标准段、梁跨标准段及拱梁结合段分别采用分离式双小边箱＋工字梁结构、半封闭双小边箱结构及全封闭整箱结构。

（1）拱跨标准段。拱跨主梁标准段总长144m，标准节段长9m，采用纵向分离式小边箱＋工字梁结构［见图4（a）］。单道分离式结构顶板宽20.25m，小边箱采用梯形截面，顶、底板分别宽4.4m、5m，悬臂长5.85m。每根吊杆位置对应设1道3m宽箱形横梁，吊索位置顶板镂空开洞；每间隔3m设置1道实腹式横隔板及外侧挑臂。

（2）梁跨标准段。梁跨主梁标准段总长27m，标准节段长9m，采用半封闭双小边箱结构［见图4（b）］，梁高3.5m，顶板宽45m。单道小边箱与拱跨小边箱的位置和截面形式一致，2道小边箱净间距24.5m，2道边主梁间每3m设置1道倒T形横梁，标准横梁腹板厚12mm；边支点位置采用箱形横梁，宽2.3m，腹板厚30mm。

（3）拱梁结合段。全桥对称设置2个边拱脚拱梁结合段（全长37.5m）和1个中拱脚拱梁结合段（全长24.5m），均采用全封闭整箱结构［见图4（c）］。中拱脚拱梁结合段和边拱脚拱梁结合段分别采用间距为1.5～2.0m、2.5～3.0m的实腹式横隔板；主梁与中拱拱肋及边拱拱肋衔接处分别布置6道和8道腹板，中间2道腹板与中拱拱肋腹板对齐，拱肋腹板与主梁腹板为一块整板，桥面板开槽让腹板穿过。顶板加劲肋采用板肋，其余采用U肋。

图4 主梁横断面

3.3 拱肋系统

不同于常规下承式系杆拱桥，该桥吊杆按不同的斜率呈放射布置，合理拱轴线为偏态曲线，为异型系杆拱桥。该桥拱肋系统由主拱肋、副拱肋、主副拱肋之间的斜杆、副拱肋之间的曲杆、曲杆之间的水平拉索组成，主拱与鹅塔之间和边拱尾部设有装饰构件。主桥拱肋系统如图5所示。

图5 主桥拱肋系统

（1）主、副拱肋

该桥主拱斜跨跨径为176m，桥面以上立面拱高为39.404m，主拱矢跨比为1/4.5。主拱拱轴线为平面内三次曲线，拱肋向人行侧对称外倾5.49°；副拱拱轴线为空间曲线，立面投影与主拱拱轴线重合，平面投影为三次抛物线。

主拱和副拱拱肋均采用等宽变高度八边形截面，主拱宽2.8m，在约1/4拱跨处截面高3.5m，分别在中支点和边支点侧拱脚位置截面线性加高至5m、6m；副拱宽1.2m，在约1/4拱跨处截面高度为2m，在支点位置截面线性加高至2.5m。

（2）斜杆、曲杆

单对主副拱肋之间设置13根斜杆，全桥52根，斜杆与道路中心线夹角53°，水平投影间距5.7～9.0m。

斜杆采用箱形截面，截面尺寸0.8m×1.0m，其腹板与主副拱内隔板位置对齐、顶（底）板与主副拱内的纵向加劲肋对齐。通过在斜杆外侧焊接装饰性曲板来塑造出斜杆两侧的“羽毛”造型。

2片副拱拱顶间布置2根矩形截面曲杆，截面尺寸0.85m×1.0m，长分别为9.1m、13.8m。

（3）水平拉索。

2根曲杆和副拱合并节点之间，张拉2根水平拉索LG1和LG2，拉索采用标准抗拉强度1860MPa的PES（C）7－55型高强镀锌平行钢丝拉索，2根拉索分别长18.3m、16m。索体两侧采用耳板与曲杆和副拱合并点连接。

3.4 吊杆体系

该桥的吊杆采用标准抗拉强度为1860MPa的PES（C）7－109、PES（C）7－121和PES（C）7－151型高强镀锌平行钢丝拉索，呈放射空间布置，全桥共布置68根吊杆。

吊杆在拱上为不等距布置，布置间距为2.5～8.4m；吊杆在梁上为等距布置，布置间距9m。吊杆在立面上倾斜角度为29.3°～88.5°，在横桥向上倾斜角度为67°～80°；最短吊杆长38.012m，最长吊杆长62.972m。

吊杆布置如图6所示。

图6 吊杆布置

吊杆上锚点通过锚管或锚梁的形式锚固在主拱拱肋内。根据吊杆间距以及角度的不同，拱上近中支点处5对吊杆采用隔板加导管的锚管锚固形式［见图7（a）］，利用隔板进行固定；其它12处吊杆因索力较大，且与拱肋底板夹角小，采用锚梁形式［见图7（b）］，在多个方向适应吊杆空间锚固的要求。

吊杆均为梁端张拉，故拱上预留穿索空间但不预留张拉空间。吊杆下锚点通过钢锚箱［见图7（c）］锚固在主梁外侧的斜腹板上［10－11］，吊杆拉力通过钢锚箱的2个锚垫板传递给主梁腹板，主梁腹板和承压板内侧均设置了补强板，以利于锚固处的应力合理分散到主梁上。吊杆拱端定位点位于拱轴线上，梁端2定位点距离道路中心线垂直距离为1.685m，水平距离为17.35m。

图7 吊杆锚固结构

3.5 鹅形塔柱

为配合拱肋勾勒出天鹅的形态，桥塔采用造型优美的鹅形塔。鹅形塔柱为空间曲面塔柱，桥面以上塔高58.866m。

鹅形塔采用八边形断面，鹅嘴位置截面尺寸为1.566m（宽）×1.630m（高），鹅颈顺桥向偏移最大位置截面尺寸为4.061m（宽）×4.692m（高），鹅塔根部截面尺寸为3.219m（宽）×3.306m（高）。鹅塔根部与主梁固结，形成整体刚性节点。

3.6 下部结构

主桥中墩采用双薄壁花瓶墩，两肢墩柱与墩顶平台的连接处采用椭圆倒角，并结合刻槽实现较好的景观效果，主墩造型如图8所示。

图8 主墩造型

桥墩墩顶平面尺寸为28m（横桥向）×14m（顺桥向），单肢墩柱底面尺寸为18m（横桥向）×3.5m（顺桥向），两肢墩柱间的净距为3.0m。

下设整体矩形承台，尺寸为29m（横桥向）×24m（顺桥向）×6m（厚度），承台下设30根φ2.0m钻孔灌注桩，桩长为65m，均采用摩擦桩。

3.7 桥面铺装

该桥主拱为偏态斜跨，在实现良好景观效果的同时，也对结构的受力优化提出了更高的要求。考虑到正交异性桥面板的疲劳问题是钢结构桥梁面临的共性问题，主桥铺装体系中采用UHPC（超高性能混凝土）以提高该桥的技术经济合理性和耐久性：一方面UHPC优越的强度、刚度和耐磨性可显著优化桥面板的使用性能和抗疲劳性能；另一方面较小的自重对于全桥总体受力的改善也有明显贡献。

主桥机动车道桥面铺装体系从上到下依次为：铺装层（40mm厚SMA－13高弹改性沥青）、防水层＋粘结层（改性环氧树脂粘结层）、结构上层［45～59mm厚UHPC＋焊钉＋钢筋网＋钢纤维（体积率为3.5％）］、结构下层（钢桥面板）。