鄧家窯大橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、北京市中級(jí)專業(yè)技術(shù)資格評(píng)審申報(bào)論文 第-12-頁(yè)申報(bào)論文（中 級(jí)）題目： 鄧家窯大橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 單 位：北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院姓 名：米曦亮申報(bào)專業(yè)：橋梁設(shè)計(jì) 2009 年 08 月 3 日摘 要本文以北京市通州區(qū)朝陽北路鄧家窯大橋?yàn)楸尘?，首先介紹了大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和橋型選定的過程，然后針對(duì)大橋設(shè)計(jì)中若干參數(shù)的優(yōu)化思路和過程進(jìn)行了分析和闡述。鄧家窯大橋主橋?yàn)橹谐惺教峄@拱橋，屬于部分推力系桿拱結(jié)構(gòu)，其跨度158m，矢高38m，矢跨比為1/4.16，主拱兩側(cè)設(shè)置飛燕和剛性縱梁，形成三角剛架，在三角剛架尾端張拉系桿以平衡主拱推力。由于大橋景觀要求高，且造價(jià)受到限制，方案階段確定了采用中

2、承式拱橋的方向，鑒于橋位處的地質(zhì)條件，減小主拱水平推力和基礎(chǔ)變位，控制結(jié)構(gòu)受力并降低造價(jià)成為了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中主要對(duì)矢跨比、拱軸系數(shù)、拱肋內(nèi)傾角、系桿力和基礎(chǔ)形式等參數(shù)進(jìn)行了分析討論，拱肋內(nèi)傾角主要影響拱肋面外彎矩和穩(wěn)定性，參考以往工程直接采用10度；矢跨比直接決定了拱腳水平推力，還影響結(jié)構(gòu)的造型，經(jīng)過計(jì)算比選最終定為1/4.16；拱軸系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，主要影響拱肋自身彎矩，對(duì)拱腳水平推力影響很小，本橋梁采用1.55；通過對(duì)多種基礎(chǔ)形式與系桿力的組合進(jìn)行計(jì)算，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行比較，最終選定了最優(yōu)的組合形式。本文所介紹的大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可以為今后類似工程的

3、設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞： 中承式提籃拱，拱腳推力，矢跨比，拱軸系數(shù)，基礎(chǔ)形式目 錄摘 要.緒 論 .1一、工程概況.2二、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).2三、主橋設(shè)計(jì).2四、橋型選定過程.3五、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).41、拱肋內(nèi)傾角.52、矢跨比.53、拱軸系數(shù).54、系桿力與基礎(chǔ)形式.7結(jié) 論 .10參考文獻(xiàn) .11附 錄 .12-12-緒 論在北京市通州區(qū)新城的建設(shè)中，朝陽北路東延（溫榆河西路東六環(huán)西側(cè)路）新城內(nèi)京哈高速以北地區(qū)規(guī)劃的主要干道之一，道路在鄧家窯處跨越溫榆河，聯(lián)結(jié)河道北面規(guī)劃建設(shè)的北京市最大的濱水商務(wù)園區(qū)通州生態(tài)商務(wù)園。因此，鄧家窯大橋既是該地區(qū)重要的交通節(jié)點(diǎn)，也是通州商務(wù)園的標(biāo)志性建筑，具有極為重要的交

4、通和景觀功能。根據(jù)鄧家窯大橋的特殊功能要求以及業(yè)主單位對(duì)工程造價(jià)的要求，設(shè)計(jì)組進(jìn)行了詳盡的方案比選工作，針對(duì)簡(jiǎn)支梁裝飾方案、中承式提籃拱橋方案和懸索橋方案等作了較為細(xì)致的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性比較。通過與業(yè)主單位的協(xié)調(diào)溝通，最終選定名為“生態(tài)之美”的三跨中承式提籃拱橋方案。拱橋按其行車道與拱肋的相對(duì)位置可以分為上承式、中承式和下承式。三跨中承式拱橋（飛燕拱）以其造型優(yōu)美、造價(jià)適中、橋面位置調(diào)整范圍大，易于與兩側(cè)道路接順而被受青睞，在公路、市政橋梁中廣為采用，已經(jīng)成為一種非常成熟的橋型。提籃拱是因拱肋在橫橋向適度內(nèi)傾，狀似提籃而得名，這樣既可以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又在造型上頗為新穎，與之相對(duì)的還有拱肋外敞的

5、拱橋，如南寧大橋。本文首先介紹大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對(duì)大橋橋型選定、結(jié)構(gòu)參數(shù)確定過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法的進(jìn)行了討論和闡述，相關(guān)結(jié)果可供設(shè)計(jì)人員探討和將來類似工程參考。一、工程概況朝陽北路東延（溫榆河西路東六環(huán)西側(cè)路）道路工程位于通州新城北部地區(qū)，是通州新城內(nèi)京哈高速以北地區(qū)規(guī)劃的主要干道之一。朝陽北路本段道路設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于溫榆河西路，與現(xiàn)狀朝陽北路終點(diǎn)相接，路線沿東北方向延伸，在鄧家窯處跨越溫榆河，聯(lián)結(jié)河道北面規(guī)劃建設(shè)的北京市最大的濱水商務(wù)園區(qū)通州生態(tài)商務(wù)園。因此，鄧家窯橋跨河橋是朝陽北路東延道路工程的重要構(gòu)筑物。鄧家窯跨河橋工程由主橋及南、北引橋構(gòu)成，橋梁全長(zhǎng)311.06m，全寬40m，橋梁

6、面積12240平米。二、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、道路等級(jí)：城市主干路；2、計(jì)算行車速度：60km/h；3、設(shè)計(jì)荷載：機(jī)動(dòng)車荷載：城A級(jí)；人群及非機(jī)動(dòng)車荷載：4.0kN/m2；4、橋梁寬度：0.4（扶手欄桿）+3.1m（人行道）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+0.5m（隔離墩）+12m（車行道）+1m（隔離帶）+12m（車行道）+0.5m（隔離墩）+3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.1m（人行道）+0.4（扶手欄桿）40m；5、地震基本烈度：地震動(dòng)峰值加速度0.2g，重要性修正系數(shù)1.3，該動(dòng)峰值對(duì)應(yīng)的地震基本烈度8度，按9度采取抗震措施；6、橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)1級(jí)；7、結(jié)構(gòu)重要性修正系數(shù)：主橋；

7、1.7，引橋1.3；8、結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：II類。三、主橋設(shè)計(jì)鄧家窯大橋主跨跨徑158m，矢高38m，矢跨比為1/4.16，為中承式提籃拱橋；主拱兩側(cè)設(shè)置飛燕和剛性縱梁，形成三角剛架，在三角剛架尾端張拉系桿以平衡部分主拱推力，結(jié)構(gòu)總體布置如圖1所示。圖1：橋型總體布置圖拱肋分為兩部分，橋面以上為鋼箱斷面，橋面以下為實(shí)心混凝土斷面，拱軸線采用m1.55的懸鏈線，在跨中76m范圍內(nèi)，拱肋等高為3.0m；兩側(cè)各28m范圍內(nèi)，拱肋沿拱軸線兩側(cè)均勻加寬至5.0m。拱肋下部實(shí)腹段與飛燕、剛性系梁形成三角剛架，整體承擔(dān)系桿張拉力。橫向在飛燕端部和拱肋之間均設(shè)橫梁聯(lián)結(jié)，并用V形墩支承。橋面系采用吊桿橫梁+鋼縱梁+

8、混凝土橋面板的疊合梁形式。吊桿橫梁為變高度鋼箱斷面，中部高3.0m，端部高2.0m。全橋共12根系桿索，單側(cè)6根。系桿索由15-27高強(qiáng)度低松弛鍍鋅預(yù)應(yīng)力鋼絞線（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa）制成，外包HDPE保護(hù)層，單束系桿張拉力為2500KN，安全系數(shù)大于2.5。全橋共20對(duì)吊桿，吊桿中心距6m。吊桿索采用15-27、15-37高強(qiáng)度低松弛環(huán)氧噴涂預(yù)應(yīng)力鋼絞線（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa），整體擠壓錨具。邊吊桿安全系數(shù)約為4.0，其余吊桿安全系數(shù)大于3.0。拱腳基礎(chǔ)采用12.5m×17m×4.15m鋼筋混凝土承臺(tái)，下接12根直徑1.8米鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)38米，持力層為細(xì)砂層，采用

9、后壓漿處理。V墩基礎(chǔ)為3.5m×17m×3.15m鋼筋混凝土承臺(tái),下接4根直徑1.8米鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)38米，持力層為細(xì)砂層。承臺(tái)之間通過系梁聯(lián)結(jié)，系梁寬2.0m，高3m，縱向共三道。四、橋型選定過程根據(jù)業(yè)主對(duì)大橋景觀的要求以及對(duì)造價(jià)的限制，方案階段確定了采用中承式拱橋的方向，但橋位處上部土層以粘性土和細(xì)砂為主，其物理參數(shù)1如下：粘土、亞粘土：液性指數(shù)在0.750.25之間，飽和，中密，中高中壓縮性，值在500010000KN/m4，樁側(cè)土極限摩阻力在50KPa左右。細(xì)砂、細(xì)中砂：飽和，密實(shí)，值在1000020000KN/m4，樁側(cè)土極限摩阻力在55KPa左右。根據(jù)土層物理

10、參數(shù)可知，樁側(cè)土不適合承擔(dān)較大水平力，需采用有效措施解決拱腳推力。常規(guī)的解決方式有兩種：斜樁基礎(chǔ)、直樁基礎(chǔ)+上部張拉系桿。設(shè)計(jì)過程中對(duì)這兩種方式進(jìn)行了比選。斜樁可以在承臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱布置，也可以按水平推力作用方向一側(cè)布置。根據(jù)文獻(xiàn)2結(jié)果，對(duì)稱布置斜樁與采用直樁比較，對(duì)拱腳水平位移的限制作用不明顯，而樁頂彎矩增加較多；僅在岸側(cè)布置時(shí)，對(duì)水平位移的限制作用較為明顯，但在恒載的豎向力作用下基礎(chǔ)將產(chǎn)生向河側(cè)的水平位移，于結(jié)構(gòu)不利。另外，在北京地區(qū)以往的工程實(shí)踐中缺少斜樁的應(yīng)用實(shí)例，缺乏施工經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)而言，直樁基礎(chǔ)+上部張拉系桿方案是一種較為成熟的解決方式。在主拱兩側(cè)設(shè)置配跨（飛燕），通過配跨的壓重以及在配

11、跨尾端張拉系桿，可全部或部分平衡主拱推力。本橋采用這種體系，但由于景觀要求和河道阻水的限制，配跨無法做大，不能有效地壓重，從而張拉系桿將在飛燕根部產(chǎn)生很大的彎矩，結(jié)構(gòu)受力非常不利。因此，設(shè)計(jì)中在飛燕尾端和拱肋之間加入一道剛性縱梁，飛燕、剛性縱梁和拱腳段組成一個(gè)閉合框架，整體承擔(dān)系桿力。計(jì)算結(jié)果表明，通過這種構(gòu)造，飛燕根部和拱肋根部的受力狀況均大為改善。五、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)大橋的受力特點(diǎn)，可將其簡(jiǎn)化為如下的圖示，通過張拉系桿，拱腳的水平位移得到了有效的控制，但同時(shí)也使得三角剛架向河側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、樁基受力不均、樁頂及拱肋彎矩增大。圖2：大橋簡(jiǎn)化受力圖示影響結(jié)構(gòu)受力和變位的因素主要可以歸納為以下幾個(gè)：

12、矢跨比、拱軸系數(shù)、拱肋內(nèi)傾角、系桿力和基礎(chǔ)形式等。這幾個(gè)因素的影響相互交織，下面對(duì)各個(gè)分別討論，找出最主要的因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1、拱肋內(nèi)傾角該傾角主要對(duì)拱肋面外彎矩和穩(wěn)定性有較大影響，根據(jù)文獻(xiàn)3，該角度一般控制在315度，以10度附近為佳。另外，當(dāng)傾角過大時(shí)也影響到人行道凈空，故直接采用10度。2、矢跨比矢跨比決定拱肋的平坦程度，也是影響拱腳水平推力的重要因素。當(dāng)拱軸線滿足“五點(diǎn)重合法”要求時(shí)，拱腳水平推力可表示為：其中，為作用在拱肋上的上部荷載集度，為拱肋跨徑，為拱肋矢高。從上式可以看到，在跨徑一定的情況下，矢跨比越大，拱腳水平推力越小。常規(guī)的三跨中承式連續(xù)梁拱組合拱橋，矢跨比一般在1/3.

13、51/64，而鋼管混凝土拱橋一般在1/41/55。矢跨比還在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的造型，從美觀的角度看，橋面以上矢高，橋面以下矢高是一種較為合適的分配比例。根據(jù)對(duì)1/41/5之間多個(gè)矢跨比的計(jì)算比較，并綜合考慮景觀效果，本橋梁矢高采用38m，矢跨比1/4.16，其中橋面以上矢高25.5m，約為0.67。3、拱軸系數(shù)拱軸系數(shù)決定了拱軸線的具體形狀，當(dāng)拱軸線與拱肋的壓力線重合時(shí)，拱肋處于受軸壓狀態(tài)，混凝土能夠充分發(fā)揮其承載能力；當(dāng)拱軸線偏離壓力線時(shí)，拱肋彎矩增大，拱腳水平推力也隨之變化。箱形拱橋上部荷載比較均勻，故拱軸線一般采用拋物線或懸鏈線，拱軸系數(shù)大多集中在1.02.0范圍內(nèi)。本橋梁拱軸線采用懸

14、鏈線，優(yōu)化設(shè)計(jì)中，保持三角剛架部分形狀不變，不張拉系桿，以拱腳水平推力和拱肋彎曲應(yīng)變能為目標(biāo)，對(duì)1.02.0范圍內(nèi)多個(gè)拱軸系數(shù)進(jìn)行比選。圖3：恒載下拱腳水平推力拱軸系數(shù)變化圖結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能可寫成：對(duì)于離散的桿系結(jié)構(gòu)可寫成：本計(jì)算中，在上段拱肋拱腳、L/8、L/4、3L/8、拱頂處各取單位長(zhǎng)度單元計(jì)算其彎曲應(yīng)變能，以五段總和代表拱肋的彎曲應(yīng)變能，當(dāng)彎曲應(yīng)變能最小時(shí)，拱軸線與壓力線最為貼近。圖4：恒載下拱肋彎曲應(yīng)變能拱軸系數(shù)變化圖圖5：恒載下拱肋彎矩拱軸系數(shù)變化圖從上面的圖中可以看到，當(dāng)拱軸系數(shù)為1（拋物線）時(shí)，拱肋彎曲應(yīng)變能最小，隨著拱軸系數(shù)增大，拱肋彎曲應(yīng)變能逐漸增加，而拱腳水平推力變化很小。

15、由此可見，不張拉系桿時(shí)拋物線是最合理的拱軸線，但拱軸線偏離壓力線所引起的彎矩總值較小，故所造成的拱腳水平推力變化亦小。因此，對(duì)于此類拱橋，當(dāng)拱軸系數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，其影響主要體現(xiàn)在拱肋內(nèi)力的變化上，對(duì)基礎(chǔ)反力的影響是次要的，又因拱肋內(nèi)力很大程度還取決于系桿力，故拱軸系數(shù)優(yōu)化的意義不大，本設(shè)計(jì)中考慮到活載將使拱頂彎矩增大，張拉系桿將使拱頂彎矩減小，拱軸系數(shù)取中值1.55。4、系桿力與基礎(chǔ)形式按部分推力拱橋的概念設(shè)計(jì)，拱腳水平力部分由系桿力平衡，剩余部分由基礎(chǔ)承擔(dān)，二者之間的分配比例是影響結(jié)構(gòu)受力與變位的一個(gè)重要因素。上海盧浦大橋（100+550+100m）通過張拉系桿平衡全部恒載下的拱腳水

16、平推力2；益陽茅草街大橋（80+368+80m）采用系桿及邊拱平衡主拱絕大部分的水平推力6。本橋梁在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)多種基礎(chǔ)形式與系桿力的組合進(jìn)行排算，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行比較。基礎(chǔ)形式：拱腳基礎(chǔ)采用直徑1.8m的鉆孔灌注樁，橫橋向3排，樁中距4.5m，順橋向分別考慮3排、4排、5排三種情況，樁中距4.5m，對(duì)稱于承臺(tái)中心布置。系桿力：橋梁在恒載下的拱腳水平推力為2100t，使用階段最大推力為2700t，故系桿力的優(yōu)化范圍為02500t。優(yōu)化目標(biāo)：以基礎(chǔ)的變位最小、關(guān)鍵截面內(nèi)力最小、造價(jià)最低為優(yōu)化目標(biāo)，具體為恒載下拱腳水平位移小于2mm，使用階段最大變位小于6mm；樁基、拱肋根部、飛燕根部?jī)?nèi)力

17、在配筋可控的范圍內(nèi)。在優(yōu)化范圍中，滿足基礎(chǔ)變位條件的幾種組合形式的變位結(jié)果如表1所示。表1.多種基礎(chǔ)形式與系桿力組合的基礎(chǔ)變位組合基礎(chǔ)系桿張拉力（t）成橋階段使用階段水平（mm）轉(zhuǎn)角（10-3rad）水平（mm）轉(zhuǎn)角（10-3rad）1三排樁20000.30.31-3.72.30.180.692四排樁1500-1.90-4.4-0.7-0.240.2232000-0.10.16-2.71.000.37425001.60.31-12.800.515五排樁1500-1.50-3.3-0.7-0.140.1562000-0.30.11-20.500.23725001.00.20-0.81.700.3

18、3注：位移中正值表示向河側(cè)平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。表2.多種基礎(chǔ)形式與系桿力組合的結(jié)構(gòu)使用階段最不利內(nèi)力組合基礎(chǔ)系桿張拉力（t）飛燕根部彎矩（KN.m）實(shí)腹拱腳彎矩（KN.m）樁基內(nèi)力軸力（KN）彎矩（KN.m）1三排樁200052889-91630-10216-27742四排樁150042563-79356-7453-29653200059284-98194-8163-22984250076961-117031-9376-1642 5五排樁150043719-80586-6026-2813 6200062106-101065-6342-2193 7250081343-121562-7199-1575 注

19、：軸力以受壓為負(fù)。從表1、2中可以看到，隨著系桿張拉力的增大，基礎(chǔ)的水平變位得到了有效的控制，但基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)變位增大，樁基受力不均，飛燕根部和拱腳彎矩逐漸增大。按最不利內(nèi)力計(jì)算截面配筋及樁基長(zhǎng)度，對(duì)各組合形式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。表3.多種基礎(chǔ)形式與系桿力組合的橋梁工程量和造價(jià)組合砼(m3)鋼筋(t)系桿（t）造價(jià)(萬元)18374 926 74 2040 29570 140 74 2282 310120 146 99 2455 411036 158 125 2705 512446 140 74 2817 612751 146 99 2952 713209 158 125 3131 注：工程量及造價(jià)僅含全橋基礎(chǔ)、三角剛架及系桿。從表3的結(jié)果可以看到，采用系桿力來平衡拱腳水平推力的方式比增加基礎(chǔ)剛度的方式更為經(jīng)濟(jì)。本橋梁最終選擇組合2（