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淺談橫琴二橋鋼桁拱矢跨比的選�。ń煌ǎ�

                                任巍峰

             （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司  武漢  430063）

摘要以珠海橫琴二橋鋼桁拱方案設(shè)計(jì)為背景，通過(guò)參數(shù)化分析，建立簡(jiǎn)化模型，分析對(duì)比不同矢跨比下鋼桁拱剛度、強(qiáng)度、造價(jià)等各項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)擬合曲線，綜合分析對(duì)比得出橫琴二橋鋼桁拱方案合理的矢跨比。

關(guān)鍵詞  矢跨比  參數(shù)化分析鋼桁拱

1工程概況

    珠海橫琴二橋是珠海金港路橫琴北段控制性工程。金港路起點(diǎn)接洪灣樞紐互通立交，北連廣珠西線高速和港珠澳大橋，南接橫琴新區(qū)的中心南路。橫琴二橋在橫琴大橋上游6 km處跨越洪灣水道，距離上游磨刀門水道約3.3 km。橫琴二橋是沿海城市橋梁，設(shè)計(jì)必須結(jié)合景觀、結(jié)構(gòu)、環(huán)保等方面綜合考慮：①橋梁造型應(yīng)與自然景觀、城市風(fēng)光相協(xié)調(diào)；②適當(dāng)加大橋梁跨徑，減少洪水、潮汐對(duì)水中墩及基礎(chǔ)的影響；③優(yōu)化結(jié)構(gòu)，做到經(jīng)濟(jì)、合理，減少投資，縮短建設(shè)周期。

    通過(guò)分析比較，珠海橫琴二橋主橋采用100m+400 m+100 m鋼桁拱方案，大橋穿越洪灣水道連接橫琴島，體現(xiàn)“橋一水一島”自然與環(huán)境的統(tǒng)一，圖1為珠海橫琴二橋主橋周邊環(huán)境圖。圖中情侶路沿海鋪建，曲折蜿蜒，與主橋形成自然和人文的相互交融。

    下面主要介紹如何選取橫琴二橋合理的矢跨比。

2跨度選取

    珠海橫琴二橋主橋跨越洪灣水道，洪灣水道通航凈寬要求不小于330 m。洪灣水道是向南凸起，主航道偏向南側(cè)。珠海橫琴二橋主橋距既有西域碼頭不足140 m，北主墩承臺(tái)邊應(yīng)設(shè)在西域碼頭岸線以內(nèi)。洪灣水道、既有西域碼頭、橫琴二橋主墩、邊墩相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖2。

    考慮到堤防要求：K2+150及K2+650為兩岸大堤，基礎(chǔ)距大堤應(yīng)保持有一定距離。南岸K2+570處水下地形較陡，應(yīng)避開。綜合上述分析，主墩凈跨要求大于372 m，考慮到基礎(chǔ)尺寸約20 m，主跨要求大于392 m，并考慮邊跨對(duì)堤防的影響，主跨確定為400 m，北主墩中心里程為K2 +189，南主墩中心里程為K2+589。主橋橋墩平面布置見(jiàn)圖2。

    珠海橫琴二橋主橋鋼桁拱方案跨度確定為400 m，根據(jù)公式f（矢跨比）=H（矢高）/L（跨度），如何選取合理的矢高，成為橫琴二橋全橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3參數(shù)化分析

    參考國(guó)內(nèi)外已建或在建的部分不同跨度的鋼桁架拱橋矢跨比數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，跨徑300～600 m鋼桁架拱橋的矢跨比多在1／4～1／5。根據(jù)這一規(guī)律，結(jié)合橫琴二橋主橋特點(diǎn)，把橫琴二橋矢跨比作為參數(shù)，制定矢高比參數(shù)化圖見(jiàn)圖3，矢跨比分為5個(gè)等級(jí)，分別建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析。

建立MIDAS空間有限元模型，該模型考慮的靜力荷載工況總計(jì)為15種，分別是：自重、邊跨簡(jiǎn)支梁配重、電纜槽恒載、凝土橋面板自重、橋面二期恒載混；吊桿初張力、系桿拉力；有車橫風(fēng)、無(wú)車橫風(fēng)、有車順風(fēng)、無(wú)車順風(fēng)；整體升溫、整體降溫、日照升溫、寒潮降溫等。

    為了得到不同矢跨比下主橋剛度、強(qiáng)度及總造價(jià)等指標(biāo)，通過(guò)上述模型的簡(jiǎn)化計(jì)算，分析了不同矢跨比下相對(duì)應(yīng)的各個(gè)指標(biāo)，如主橋拱頂豎向位移、主拱最大軸力和總用鋼量等參數(shù)指標(biāo)，繪制得到參數(shù)化綜合對(duì)比表，見(jiàn)表2。

    由表2可見(jiàn)，隨著矢跨比由1／5增大至1／4時(shí)，拱頂位移由68 cm減小至17 cm，剛度隨矢跨比加大而增加；軸力由91 090 k N增大到98 800 k N，彎矩由20 100 k N．m減小至19 280 k N．m，強(qiáng)度隨矢跨比加大而加大；總用鋼量由21 900 t增加至22 600 t，總造價(jià)隨矢跨比加大而增加。從上述數(shù)據(jù)看出：矢跨比變化與各個(gè)指標(biāo)的規(guī)律不一致，不能根據(jù)一個(gè)指標(biāo)確定矢跨比。

    本文以矢跨比為橫軸，拱頂豎向位移、主拱最大軸力和總用鋼量為縱軸，把各個(gè)指標(biāo)與矢跨比的關(guān)系擬合成曲線匯總在一張表上進(jìn)行綜合對(duì)比，曲線擬合綜合對(duì)比見(jiàn)圖4。

    由圖4可見(jiàn)，隨著矢跨比由1/5增大至1／4時(shí)，剛度隨矢跨比加大而增加，強(qiáng)度隨矢跨比加大而加大，總造價(jià)隨矢跨比加大而增加。當(dāng)矢高為90 m，矢跨比f=1／4.4時(shí)，橋梁的剛度、強(qiáng)度指標(biāo)均保持在最合理的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)用鋼量（造價(jià)）最省。

4結(jié)論

    通過(guò)上述分析得出結(jié)論：珠海橫琴二橋鋼桁拱方案選取最合理矢跨比為f=1／4.4，該方案同比優(yōu)化了鋼桁拱橋的剛度和強(qiáng)度各項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)減少了結(jié)構(gòu)用鋼量600多t，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸減小15%以上，大大降低了工程造價(jià)。合理的矢跨比選取將使橫琴二橋鋼桁拱橋成為珠海地標(biāo)性建筑奠定了基礎(chǔ)。