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芜湖中山桥改建工程方案设计

时间：2021年05月07日 分类：科学技术论文 次数：

摘要：原芜湖中山桥为跨度63m的下承式混凝土系杆拱桥，由于航道升级，需进行改建。该改建工程面临与城市道路衔接的问题，为解决该问题，提出了北侧布置环形道路的桥梁方案、全隧道方案、中二街布置T形交叉桥梁方案，对3种方案进行综合比选，推荐采用T形交叉

　　摘要：原芜湖中山桥为跨度63m的下承式混凝土系杆拱桥，由于航道升级，需进行改建。该改建工程面临与城市道路衔接的问题，为解决该问题，提出了北侧布置环形道路的桥梁方案、全隧道方案、中二街布置T形交叉桥梁方案，对3种方案进行综合比选，推荐采用T形交叉桥梁的总体方案。该方案主桥采用带副弦的梁拱组合钢结构，跨径布置为(28+90+28)m，主梁采用梁高低矮的双边箱结构，系梁梁高0.9m，引桥中二街交叉口采用T形平面钢板梁结构，梁高0.8m。主桥上部结构采用岸上组拼、水中浮运的方案施工，引桥上部结构采用分段预制、逐段吊装的方案施工。中山桥改建工程建设速度快，对航道、城市环境的影响小，改建后的中山桥已成为芜湖中心城区新的标志性建筑。

　　关键词：城市桥;下承式拱桥;改建工程;T形交叉桥梁;方案比选;拱梁组合结构;钢结构;桥梁设计

桥梁设计

　　1概述

　　安徽省芜湖市中山桥位于芜湖市中心城区，跨越青弋江，北接中二街、南接浮山路，是联系弋江区与镜湖区的一条重要通道[1]。桥址周边是芜湖市重要的商业区，场地狭窄，车流、人流密集，原芜湖中山桥(以下简称原桥)平面实景。原桥建于1998年，主桥上部结构为跨度63m的下承式混凝土系杆拱桥，梁上布置双向4车道及两侧人行道，梁宽23.1m，高度2m;引桥为16m跨空心板梁桥;桥梁下部结构采用柱式墩、钻孔灌注桩基础。原桥下芜申运河原航道等级为Ⅴ级，通航净宽40m，净高5m。

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　　为发挥运河的通航效能，该航道按限制性Ⅲ级标准进行整治，通航净宽增加至70m，净高增加至7m。原桥无法满足芜申运河等级提升后的通航要求，需要进行同步改建。在该桥改建过程中，如何提高运河通航等级、保证道路的交通功能并具备经济上的可实施性[2-3]，是项目建设的难点。

　　2总体方案比选

　　原桥北引桥受步行街制约，与中二街采用T形平交衔接，交通组织方式为右进右出。为了在中二街前落地，原桥采用了4.8%的最大纵坡。城建管理部门考虑纵坡大交通事故多发，要求改建项目的纵坡不大于3.5%;根据航道提升需求，中山桥的梁底标高需在原桥基础上抬高约2m。在桥面提高且纵坡减小的条件下，常规的工程方案无法直接接入地面组织交通。

　　为解决交通问题，提出了3种总体布置方案：北侧布置环形道路的桥梁方案(方案1);全隧道方案(方案2);中二街布置T形交叉的桥梁方案(方案3)。

　　2.1方案1

　　考虑新桥在桥北侧已无法与中二街直接在地面平交联系，需要寻找新的道路条件进行衔接。附近通行条件较好的路只有北沿河路，采用环形道路可以接入。方案1工程建设长度约700m，需对桥址附近的商业区域进行拆迁，经测算拆迁费用高达10亿元，总投资约11.1亿元，且社会影响大。

　　2.2方案2

　　在常规桥梁方案难以落地的情况下研究了隧道工程方案。考虑青弋江航道及水利防洪的需求，明挖法隧道及沉管法隧道均不可行，只能采用盾构法施工隧道。盾构方案采用2个隧道，每个隧道布置2个车道，隧道直径11m(含管壁)。受青弋江航道制约，隧道顶距离河道底(标高-1.79m)最小覆土厚度按照5m计，隧道底部标高达到-18m，距离地面埋深达28m。故隧道方案在江南岸无法直接联系浮山路，需下穿浮山路后出地面;隧道方案在江北岸也无法直接联系中二街，受步行街影响需下穿至北京路后出地面。经测算，采用方案2时隧道总长度为2.2km，工程建安费约12.6亿元。

　　2.3方案3

　　在上述2个方案代价均较大的情况下，研究了将中二街T形交叉口设在桥上的总体方案(方案3)。该方案考虑桥梁无法在中二街前落地，于是将中山桥与中二街的交叉口设计为桥梁，中二街分别向东、西两侧降坡落地。中山路与中二街交叉口下设下沉式广场衔接周边商户。

　　方案3的难点：中二街东向降坡的坡长仅有70m，须在结构设计上降低主桥的梁高，才能实现与周边路网有效衔接;为保证中山路与中二街交叉口桥下人行广场的通行需求，T形桥梁也需要采用高度低矮的梁型。针对以上难点，在该桥改建设计中，主桥采用带副弦的钢结构梁拱组合结构[4]，桥面系梁结构高度仅0.9m;中山路与中二街相接的桥梁采用T形平面钢板梁结构，桥梁结构高度仅0.8m。

　　T形交叉的桥梁方案因将直角交叉口设在桥上，存在中山桥由南向北下桥车辆冲出桥梁掉落地面的安全风险。综合考虑项目设计车速较慢，在交通上采用加强标牌引导、设减速带、风险点设双层护栏、提高护栏等级等方式控制安全风险。该方案工程建设长度724m，建安费1.5亿元，总投资约2亿元。

　　2.4方案比选

　　对3种方案进行综合比选，方案3在满足交通功能、航道要求、交通安全风险可控的同时节省投资费用，推荐采用该方案。

　　3改建桥梁方案设计桥梁结构设计遵循安全、适用、经济、美观的原则，同时考虑桥位场地狭窄，交通流密集的因素，选择施工快捷、现场作业时间短的方案。

　　3.1主桥结构设计

　　3.1.1跨径布置及结构选型

　　根据航道部门的要求“该桥须一孔跨越芜申运河规划航道(通航净高7m，净宽70m)”以及水利部门的要求“南岸主墩须布置于防洪墙外侧，北岸主墩可布置于防洪墙内侧”，主桥主跨设计为90m。改建中山桥结构高度受到总体布置的限制，必须采用尽量减少主梁结构高度的桥型方案。梁桥及斜拉桥的主梁均为主要受力构件，拱桥的主要受力构件则为拱肋[5-6]，主梁为局部受力构件，可以不受纵向跨度的限制，最大限度地减少主梁高度。因此，该桥结构形式采用拱桥。

　　拱桥结构可分为上承式、中承式和下承式拱桥，为避免拱脚阻碍航道，采用下承式结构。为减小梁高，下承式拱桥主要构件采用钢结构。为跨越防洪墙两侧的沿河道路，将下承式拱桥的主梁向两侧边孔延伸形成边跨;为改善边跨受力，方便浮运施工(在边跨增加临时支点)，在主拱拱脚处设置副弦，副弦一端连接拱肋，一端连接边跨主梁。

　　改建中山桥采用带副弦的拱梁组合钢结构，跨径布置为(28+90+28)m。桥面上需要布置双向4车道和人行道慢行系统。设计通过1.2m宽的吊索区将机动车道与人行道分隔，减小了横梁弯矩。桥面建筑宽24.4m(含两侧人行道踢脚外挂各宽0.1m)。主梁结构顶板宽24.2m。经计算，中跨系梁高0.9m，横梁高1m，即可满足纵横向受力的需求。

　　3.1.2主要构件设计主桥采用的拱梁组合钢结构，包括主拱、副弦、横撑、系梁、吊杆，主要结构用钢为Q370qD。

　　(1)主拱、副弦及横撑。全桥共设2榀钢箱拱肋[7]，拱肋铅垂布置，横桥向间距17.2m。每榀拱肋拱脚间距90m，拱肋高18m，矢跨比1∶5。拱肋截面为箱形，钢箱内高1.4m、内宽1.1m，拱肋竖板壁厚24mm(拱脚处加厚至32mm)，顶、底板壁厚26mm，设纵、横向加劲肋。副弦截面为箱形，高0.8m、宽1.1m，竖板板厚24mm，水平板板厚20mm。在箱形拱肋上设置3道钢结构横撑，横撑采用工字形截面。横撑间通过装饰板形成景观造型。

　　(2)吊杆。每榀拱肋设13根厂制吊杆，吊杆间距为6m。吊杆索体采用12根15.2mm环氧喷涂无粘结钢绞线(fpk=1860MPa)缠包后外挤PE，公称破断索力为3125kN。吊杆两端用叉耳和拱肋与系梁销接(可有效解决短吊杆疲劳问题)。

　　(3)系梁。钢桥的系梁方案一般有钢箱梁、钢板梁、钢双边箱梁[8]等。由于钢双边箱梁方案在拱脚处方便与箱形拱肋连接，同时梁高不受施工人员作业高度限制，因此，系梁采用该方案。系梁边箱与拱肋、副弦刚性连接。其顶、底板水平设置，采用直腹板，边箱内高由边跨1.2m变化到中跨0.9m，内宽1.1m。行车道板位于两边箱之间，顶板为正交异性板[9-10]，采用U形加劲肋加劲。横梁腹板与边箱外伸衔接段腹板等高，主跨范围横梁跨中高1m;横梁间距3～3.18m。人行道板位于边箱外侧，其顶板为正交异性板，采用板式加劲肋加劲。

　　3.2引桥结构设计

　　为了在引桥下布置下沉式广场慢行系统，以及尽量加快施工速度、减少对城市环境的影响，改建中山桥引桥上部结构采用梁高低矮的钢结构。引桥标准跨径为25m，桥宽16m，主梁采用钢箱梁结构，高1.3m;中山路和中二街交叉口采用16m跨径的T形平面钢板梁，主梁结构高0.8m，桥下布置联通周边商户的下沉式广场。T形交叉口按照城市道路交叉口设计规范[11]设计桥面高程，钢桥面顶板为空间曲面，顶板下布置腹板、横隔板、底板及板式加劲肋，加劲肋尽量按照行车方向布置。

　　3.3桥梁景观设计

　　中山桥位于城市步行街中轴线上，跨越青弋江水道，美学要求高。该桥景观设计在遵循结构受力的基础上[12-13]，进行了以下细节的处理：①通过横撑及装饰构件实现主桥镂空的圆顶造型;②在主桥的副弦与系梁之间填充金属质感的装饰;③桥面采用通透感强的景观钢结构防撞栏杆及人行道栏杆。该桥通过细节处理形成了轻盈舒展的视觉效果。

　　4施工方案

　　90m跨径的拱梁组合钢结构可采用支架法、缆索吊机+斜拉扣挂法[14-15]或者整体浮运[16-17]等方案施工。考虑航道安全，航道水利部门不同意在水中搭设支架;采用缆索吊机+斜拉扣挂法施工，则需要架设临时塔架、布置锚碇、缆索及拉索等临时措施，逐段架设拱肋后再分段吊装主梁，施工措施费高，且工期长，对航道运营安全影响大。因此，主桥上部结构采用岸上组拼、水中浮运的架设方案施工。

　　施工时选择场地相对空旷的南岸布置支架、滑道，主桥钢结构在工厂内制作后运抵现场，在支架上焊接组拼成整体，再由支架上的千斤顶提供动力，船舶提供浮运支点，沿滑道纵向移动至设计桥位。该方案可在2个月内完成支架搭设及结构组拼，3d内完成浮运施工。引桥上部结构采用分段预制、逐段吊装的方案施工。在下部结构施工的同时进行上部钢梁预制，施工过程相较于传统的混凝土梁引桥，其施工速度快、扬尘污染少，对城市环境影响小。

　　5结语

　　芜湖中山桥改建工程位于城市中心区，其改建工程存在建设场地狭窄、人流车流密集、航道要求高等不利条件。为达成改建目标，设计通过多方案比较后推荐采用T形交叉桥梁方案，该方案可满足交通、航道需求，并具备经济性。主桥采用带副弦的拱梁组合钢结构，跨径布置为(28+90+28)m，双边箱梁系梁高度0.9m，该桥型结构强度和刚度大，满足大跨度、矮梁高的需求，结构受力合理，用钢量低(全桥用钢量仅为451kg/m2)，经济性好;引桥交叉口节点采用T形平面钢板梁结构，梁高0.8m，桥下可布置人行广场。该桥桥梁景观遵循结构受力，通过细节处理，形成轻盈舒展的视觉效果。

　　该桥主桥上部结构采用岸上组拼、水中浮运的方案施工，减少了对航道、城市的影响。引桥上部结构采用分段预制、逐段吊装的方案施工，上部结构工厂预制，减少扬尘。该桥2018年6月完成改建，建成后已成为芜湖中心城区新的标志性建筑。

　　参考文献(References)：

　　[1]中铁大桥勘测设计院集团有限公司.芜湖中山桥改造工程施工图设计[Z].武汉，2016.(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&De-signInstituteCo.，Ltd.PreliminaryDesignInstructionofZhongshanBridgeofWuhu[Z].Wuhan，2016.inChinese)

　　[2]O′ConnorJT，El-DirabyTE，etal.UrbanFreewayBridgeReconstructionPlanning：CaseofMockingbirdBridge[J].JournalofConstructionEngineeringandManagement，2000，126(1)：61-67.

　　[3]周凤先.滨北线松花江公铁两用桥改建工程市政桥梁方案设计[J].铁道建筑技术，2016(9)：59-64.(ZHOUFeng-xian.ConceptualDesignforMunicipalBridgeintheReconstructionProjectofHarbin-BeianHighwayandRailwayTransitBridgeovertheSonghuaRiver[J].RailwayConstructionTechnology，2016(9)：59-64.inChinese)

　　[4]中铁大桥勘测设计院集团有限公司.一种带副弦的拱梁组合结构：CN201720226549.1[P].2017-05-24.(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&De-signInstituteCo.，Ltd.AnArchBeamCompositeStructurewithSecondaryChord：CN201720226549.1[P].2017-05-24.inChinese)

　　作者：刘厚军，傅战工

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