论文部分内容阅读
摘要：在桥梁与建筑日益融合的大环境下，如何用结构的方式来体现建筑的意图，是桥梁设计中遇到的新课题。本文结合一座飞鸟式系杆拱桥的设计优化过程，浅谈下在保留原建筑意图的前提下，对桥梁结构进行优选优化的过程，并对今后同类设计提出一些有价值的意见及建议。
关键词：飞鸟式系杆拱桥； V型刚构；组合结构；结构优化
一、工程概况
随着建筑景观对市政交通建设领域的渗透，特别是旅游地块和公共建筑的互生互动，桥梁在具备交通功能、过水功能之外，其景观功能也越来越被建设者所重视，更冀望通过桥梁的公共性和地标性，提升周边区域的整体对外形象。
本项目位于海南省旅游公路某段，毗邻入海口，上跨太阳河分洪渠，视野开阔，观景效果好，是本工程沿线最大的桥梁。从旅游公路的定位出发，项目设计之初便从建筑景观入手，结合桥梁结构本身，营造复合人文景观，提高旅游公路的辨识度，更期形成区域景点，吸引游览人气，带动当地的旅游产业。
建筑方案采用连续跳跃的拱形线条，以形成飞鸟展翅的效果，如同海鸥掠过海面，打造南海沙滩、碧浪白鸟的美丽画面；拱形线条河中分叉处理，增加了连拱的立体感，使得桥梁整体显得轻盈动感又立体饱满。
二、设计条件
太阳河发源于万宁市与琼中黎族自治县、陵水黎族自治县交界处的斩岭，原入注泄湖小海，后建分洪工程后直接注入南海。全流域面积592.5 km2，河流全长75.7 km，年均径流8.44亿m3，坡降1.49‰。
桥位河段毗邻出海口，为典型的感潮河口段，受中上游的万宁水库和碑头水库泄洪影响，并受外海潮汐水位控制。根据水文调查和计算，拟建桥位处历年最高潮位为3.447m，年最高潮位出现在汛期的几率为89.7%，百年一遇的设计潮水位为3.907m（85国家高程）。
本桥设计技术标准如下：
1. 道路等级：二级公路；
2. 设计车速：40km/h；
3. 汽车荷载：公-Ⅱ级；
4. 结构安全等级：二级；
5. 设计基准期：100年；
6. 抗震设防等级：6度；
7. 环境类别：Ⅲ类；
8. 桥梁宽度：18m。
三、 结构设计
根据建筑总体设计意向，本桥为飞鸟中承式拱与悬索组合结构桥，拱肋吊杆部分承受边跨竖向荷载，悬索部分承受跨中竖向荷载；全桥独拱肋单索面设计，主梁为多点弹性支撑连续梁结构。
从本方案的结构受力复杂度出发，本桥宜采用全钢结构以降低局部构件设计和施工的难度；但针对桥梁所处的海洋腐蚀环境以及海南当地多发的台风气候，从全寿命期工程投入产出与结构抗风安全的角度出发，全钢结构不宜作为本桥的主材料。
为应对该矛盾，设计从实际出发，分析认为主梁受力相对明确、施工相对简单，有条件采用混凝土结构；主拱受力复杂多变，施工需高空作业，可維持采用全钢断面或改用钢箱混凝土断面。最终，结构设计采用混凝土薄壁箱梁为主梁断面，主拱进行钢箱混凝土和全钢截面比较，在维持独拱肋单索面设计的基础上，采用双吊杆布置，既减小因主梁材料改变而大幅提高的吊杆内力，也便于后期换索。
鉴于桥位处基岩埋置深度达50m以上，主梁纵向布置通长体内预应力钢束，以平衡结构水平推力，形成自锚体系，减小拱结构对基础的依赖。
经过初步试算，单索面全漂体系主梁整体抗扭能力较差，刚度较小，设计提出增设主墩处横梁、与斜腿形成V墩刚构体系的方案进行优选比较。
本工程的结构总体计算采用Midas2010（V7.8.0版），主梁和拱肋采用梁单元模拟，吊杆和主缆采用桁架单元模拟；考虑了恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、整体升降温、局部温差、风荷载、基础沉降等作用。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）及《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的规定，本桥计算时取结构重要性系数1.0，按A类混凝土构件要求，对荷载（作用）进行组合计算。
1、主拱断面比较结果
比选断面1采用250×200cm钢箱混凝土主拱断面，钢箱壁厚为12mm，全断面内充微膨胀混凝土，全桥拱肋混凝土用量为1036方、钢结构用量为594吨。
比选断面2采用250×200cm全焊钢结构断面，钢箱壁厚为30mm，全桥拱肋，钢结构用量为1343吨。
两个断面同样在方案A的全漂体系下，断面1的主梁跨中活载竖向挠度为8.4cm，自重+活载的组合下拱肋侧倾失稳的临界荷载系数为10.3；断面2活载竖向挠度为14.3cm，拱肋侧倾失稳的临界荷载系数为12.2；两个断面均满足规范刚度、活载挠度和稳定的要求，总体可行。
断面1由于采用较为廉价的混凝土材料作为拱肋受压材料，在工程投资上较断面2减少约10%，但是断面1拱肋分叉和悬索段锚固节点受力不明晰，悬索结构换索困难，容易造成结构隐患，施工时箱型断面造型较难控制，对箱内混凝土泵送和吊杆张拉都有较高的要求。
综合考虑，采用断面2——全钢焊接箱型断面可以明晰结构受力，降低施工风险和难度，减少工程措施费用，综合效益远大于采用混凝土材料而产生的经济效益。
2、结构体系比较结果
在保证相同的全钢薄壁断面的情况下，全桥主梁无刚性支撑的全漂体系和增设V墩处主梁横梁形成的刚构体系有着各自不同的力学表现。
方案A主梁纵向受力相对平滑，无突变荷载，但由于全桥仅桥台处设置抗扭约束，全桥扭转跨径达到了260m，扭矩和扭转变形较大，桥台处主梁扭矩达到了17405KN·m；跨中主梁在活载偏载的工况下横向扭转0.005rad，计入荷载长期效应的影响后，主梁挑臂处竖向综合挠度达到了32.9cm。
现行规范尚未对扭转刚度作相关规定，鉴于规范对于受弯梁的挠度计算要求是为了保证梁有足够刚度，使汽车过桥时主梁变形不致过大而平顺通行。因此，本项目采用了计入横向扭转后的主梁外挑臂综合竖向挠度作为挠度验算对象，32.9cm的计算结果不满足L/600=130/600=21.6cm的规范要求。
方案B主梁抗扭跨径为110m，扭矩和扭转变形都大大减小，主梁最大扭矩为5125 KN·m，较全漂体系降低了70%；主梁最大扭转角度为0.0004rad，计入荷载长期效应的影响后，主梁挑臂处竖向综合挠度为6.56cm，体系刚度提升明显。
采用刚构体系后，主梁断面得到了充分的利用，悬索段的主梁由V构提供主要竖向支撑，吊杆支撑居于次要地位，对悬索段的要求大大降低。
通过对同一建筑造型下两个不同结构设计方案的计算分析比较可以看出，方案A采用自锚中承式系杆拱和悬索组合结构，全漂体系，结构整体刚度小、抗扭能力差，行车舒适度差，施工风险度高；方案B采用了自锚中承式系杆拱和V构组合结构，施工工艺成熟度高，抗扭能力强，而且避免了主缆锚固区复杂节点，消除了主缆腐蚀的隐患，最大程度利用了混凝土主梁的结构承载潜力。因此，对于本桥的建筑方案，从结构受力合理性上而言，方案B是优选方案。
四、结语
同样的建筑造型，会有不同的结构实现方案。在设计之初，对不同的结构实现方案进行试算，分析各种不同结构体系的力学性能，研究施工过程和复杂节点的模拟方式，有利于调整结构设计方向，少走弯路斜路，对稳定结构设计起了很重要的作用。
参考文献：
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥.人民交通出版社，2007.1
[2]胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用.人民交通出版社，2008.8
关键词：飞鸟式系杆拱桥； V型刚构；组合结构；结构优化
一、工程概况
随着建筑景观对市政交通建设领域的渗透，特别是旅游地块和公共建筑的互生互动，桥梁在具备交通功能、过水功能之外，其景观功能也越来越被建设者所重视，更冀望通过桥梁的公共性和地标性，提升周边区域的整体对外形象。
本项目位于海南省旅游公路某段，毗邻入海口，上跨太阳河分洪渠，视野开阔，观景效果好，是本工程沿线最大的桥梁。从旅游公路的定位出发，项目设计之初便从建筑景观入手，结合桥梁结构本身，营造复合人文景观，提高旅游公路的辨识度，更期形成区域景点，吸引游览人气，带动当地的旅游产业。
建筑方案采用连续跳跃的拱形线条，以形成飞鸟展翅的效果，如同海鸥掠过海面，打造南海沙滩、碧浪白鸟的美丽画面；拱形线条河中分叉处理，增加了连拱的立体感，使得桥梁整体显得轻盈动感又立体饱满。
二、设计条件
太阳河发源于万宁市与琼中黎族自治县、陵水黎族自治县交界处的斩岭，原入注泄湖小海，后建分洪工程后直接注入南海。全流域面积592.5 km2，河流全长75.7 km，年均径流8.44亿m3，坡降1.49‰。
桥位河段毗邻出海口，为典型的感潮河口段，受中上游的万宁水库和碑头水库泄洪影响，并受外海潮汐水位控制。根据水文调查和计算，拟建桥位处历年最高潮位为3.447m，年最高潮位出现在汛期的几率为89.7%，百年一遇的设计潮水位为3.907m（85国家高程）。
本桥设计技术标准如下：
1. 道路等级：二级公路；
2. 设计车速：40km/h；
3. 汽车荷载：公-Ⅱ级；
4. 结构安全等级：二级；
5. 设计基准期：100年；
6. 抗震设防等级：6度；
7. 环境类别：Ⅲ类；
8. 桥梁宽度：18m。
三、 结构设计
根据建筑总体设计意向，本桥为飞鸟中承式拱与悬索组合结构桥，拱肋吊杆部分承受边跨竖向荷载，悬索部分承受跨中竖向荷载；全桥独拱肋单索面设计，主梁为多点弹性支撑连续梁结构。
从本方案的结构受力复杂度出发，本桥宜采用全钢结构以降低局部构件设计和施工的难度；但针对桥梁所处的海洋腐蚀环境以及海南当地多发的台风气候，从全寿命期工程投入产出与结构抗风安全的角度出发，全钢结构不宜作为本桥的主材料。
为应对该矛盾，设计从实际出发，分析认为主梁受力相对明确、施工相对简单，有条件采用混凝土结构；主拱受力复杂多变，施工需高空作业，可維持采用全钢断面或改用钢箱混凝土断面。最终，结构设计采用混凝土薄壁箱梁为主梁断面，主拱进行钢箱混凝土和全钢截面比较，在维持独拱肋单索面设计的基础上，采用双吊杆布置，既减小因主梁材料改变而大幅提高的吊杆内力，也便于后期换索。
鉴于桥位处基岩埋置深度达50m以上，主梁纵向布置通长体内预应力钢束，以平衡结构水平推力，形成自锚体系，减小拱结构对基础的依赖。
经过初步试算，单索面全漂体系主梁整体抗扭能力较差，刚度较小，设计提出增设主墩处横梁、与斜腿形成V墩刚构体系的方案进行优选比较。
本工程的结构总体计算采用Midas2010（V7.8.0版），主梁和拱肋采用梁单元模拟，吊杆和主缆采用桁架单元模拟；考虑了恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐变、整体升降温、局部温差、风荷载、基础沉降等作用。
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）及《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）的规定，本桥计算时取结构重要性系数1.0，按A类混凝土构件要求，对荷载（作用）进行组合计算。
1、主拱断面比较结果
比选断面1采用250×200cm钢箱混凝土主拱断面，钢箱壁厚为12mm，全断面内充微膨胀混凝土，全桥拱肋混凝土用量为1036方、钢结构用量为594吨。
比选断面2采用250×200cm全焊钢结构断面，钢箱壁厚为30mm，全桥拱肋，钢结构用量为1343吨。
两个断面同样在方案A的全漂体系下，断面1的主梁跨中活载竖向挠度为8.4cm，自重+活载的组合下拱肋侧倾失稳的临界荷载系数为10.3；断面2活载竖向挠度为14.3cm，拱肋侧倾失稳的临界荷载系数为12.2；两个断面均满足规范刚度、活载挠度和稳定的要求，总体可行。
断面1由于采用较为廉价的混凝土材料作为拱肋受压材料，在工程投资上较断面2减少约10%，但是断面1拱肋分叉和悬索段锚固节点受力不明晰，悬索结构换索困难，容易造成结构隐患，施工时箱型断面造型较难控制，对箱内混凝土泵送和吊杆张拉都有较高的要求。
综合考虑，采用断面2——全钢焊接箱型断面可以明晰结构受力，降低施工风险和难度，减少工程措施费用，综合效益远大于采用混凝土材料而产生的经济效益。
2、结构体系比较结果
在保证相同的全钢薄壁断面的情况下，全桥主梁无刚性支撑的全漂体系和增设V墩处主梁横梁形成的刚构体系有着各自不同的力学表现。
方案A主梁纵向受力相对平滑，无突变荷载，但由于全桥仅桥台处设置抗扭约束，全桥扭转跨径达到了260m，扭矩和扭转变形较大，桥台处主梁扭矩达到了17405KN·m；跨中主梁在活载偏载的工况下横向扭转0.005rad，计入荷载长期效应的影响后，主梁挑臂处竖向综合挠度达到了32.9cm。
现行规范尚未对扭转刚度作相关规定，鉴于规范对于受弯梁的挠度计算要求是为了保证梁有足够刚度，使汽车过桥时主梁变形不致过大而平顺通行。因此，本项目采用了计入横向扭转后的主梁外挑臂综合竖向挠度作为挠度验算对象，32.9cm的计算结果不满足L/600=130/600=21.6cm的规范要求。
方案B主梁抗扭跨径为110m，扭矩和扭转变形都大大减小，主梁最大扭矩为5125 KN·m，较全漂体系降低了70%；主梁最大扭转角度为0.0004rad，计入荷载长期效应的影响后，主梁挑臂处竖向综合挠度为6.56cm，体系刚度提升明显。
采用刚构体系后，主梁断面得到了充分的利用，悬索段的主梁由V构提供主要竖向支撑，吊杆支撑居于次要地位，对悬索段的要求大大降低。
通过对同一建筑造型下两个不同结构设计方案的计算分析比较可以看出，方案A采用自锚中承式系杆拱和悬索组合结构，全漂体系，结构整体刚度小、抗扭能力差，行车舒适度差，施工风险度高；方案B采用了自锚中承式系杆拱和V构组合结构，施工工艺成熟度高，抗扭能力强，而且避免了主缆锚固区复杂节点，消除了主缆腐蚀的隐患，最大程度利用了混凝土主梁的结构承载潜力。因此，对于本桥的建筑方案，从结构受力合理性上而言，方案B是优选方案。
四、结语
同样的建筑造型，会有不同的结构实现方案。在设计之初，对不同的结构实现方案进行试算，分析各种不同结构体系的力学性能，研究施工过程和复杂节点的模拟方式，有利于调整结构设计方向，少走弯路斜路，对稳定结构设计起了很重要的作用。
参考文献：
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥.人民交通出版社，2007.1
[2]胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用.人民交通出版社，2008.8