1.概述
柳林橋是柳林路接規(guī)劃武當(dāng)路跨越海河的橋梁，位于中環(huán)線與外環(huán)之間，為一座形式新穎的特種橋梁，是溝通海河兩岸的又一重要通道。海河規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道，正常通航水位1.5米（大沽高程），最高蓄水為2.5米（大沽高程），最高洪水位4.54米（大沽高程），要求橋下凈空4.5米，梁底標(biāo)高6.0米（大沽高程），主航道凈寬30米。
圖1立面效果圖
圖2 部位名稱
2.主橋橋梁結(jié)構(gòu)
主橋橋梁結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)、主翼、次翼、主梁、主撐桿、次撐桿和吊桿組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)以“蜻蜓點(diǎn)水”為設(shè)計(jì)構(gòu)思，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在安全的前提下，以達(dá)到方案設(shè)計(jì)的效果為最基本的設(shè)計(jì)原則，充分體現(xiàn)優(yōu)美的造型、簡捷的受力體系。為便于說明， 圖2表示主橋的基本形式和各工程部位的位置。
?。?) 主翼結(jié)構(gòu)
主翼由根部的單箱單室截面漸變并分離的雙箱加橫梁截面，分岔點(diǎn)距離主墩水平距離為23.8米。主翼翼展2x97米，豎向線形為圓曲線，平面線形按圓曲線變化，并以道路中線和主墩軸線對(duì)稱。全部為鋼結(jié)構(gòu)。
主翼高度由根部的5000mm漸變到端部的1000mm。寬度由根部的3000mm漸變到端部的16000mm。頂?shù)装搴穸扔?00mm漸變到10mm，腹板由60mm漸變到10mm。箱室內(nèi)每隔2500mm左右設(shè)置一道橫隔板，在拉索錨固位置及橫梁位置設(shè)置雙道橫隔板。
主翼在單側(cè)因受力特點(diǎn)分成了6段,各段因受力性質(zhì)的不同鋼板厚度及截面高度也不相同。最終這些分段位置即為預(yù)制節(jié)段分解線。
翼上橫梁單側(cè)為13個(gè)，除了主撐桿上的橫梁為V型外，其他均為矩形截面，高度因所處的位置發(fā)生變化。正常截面寬度600mm,鋼板厚10mm，V型梁截面寬度700mm，鋼板厚:腹板50mm，頂?shù)装?0mm。
主體結(jié)構(gòu)通過外包輕型結(jié)構(gòu)達(dá)到方案設(shè)計(jì)的效果，并成為橋梁照明設(shè)施的載體。
?。?) 次翼結(jié)構(gòu)
次翼通長采用鋼箱結(jié)構(gòu)，截面為單箱單室，寬度為1500mm不變，高度由根部的3000mm漸變到端部600mm。次翼翼展2x85米，豎向線形為圓曲線。次翼中軸線距離道路中線23.75米。
頂?shù)装邃摪搴穸扔筛康?00mm漸變到端部的10mm，腹板由60mm漸變到10mm。箱室內(nèi)每隔2500mm左右設(shè)置一道橫隔板，在拉索錨固位置設(shè)置雙道橫隔板。
次翼在單側(cè)因受力特點(diǎn)分成了4段,各段因受力性質(zhì)的不同鋼板厚度及截面高度也不相同。最終這些分段位置即為預(yù)制節(jié)段分解線。
主體結(jié)構(gòu)通過外包輕型結(jié)構(gòu)達(dá)到方案設(shè)計(jì)的效果，并成為橋梁照明設(shè)施的載體。
?。?) 主翼、次翼的受力特點(diǎn)
主次翼在整個(gè)受力模式類似懸臂梁，雖然有端部撐桿，因在撐桿附件主次翼的截面高度已經(jīng)變得很矮，剛度衰減嚴(yán)重：
主翼：撐桿處截面高度1150mm，占根部5000mm的23%。拉索拉力13根x2組x25噸=650噸，這時(shí)撐桿提供520噸的支撐反力，此時(shí)根部應(yīng)力下緣壓應(yīng)力112MPa，上緣拉應(yīng)力106MPa，這說明主翼主要承受本身的自重荷載，最后包絡(luò)應(yīng)力為179 MPa。
次翼：撐桿處截面高度610mm，占根部3000mm的20%。拉索拉力13根x1組x5噸=65噸，這時(shí)撐桿提供117噸的支撐反力，此時(shí)根部應(yīng)力下緣壓應(yīng)力120MPa，上緣拉應(yīng)力115MPa，這說明次翼也主要承受本身的自重荷載，最后包絡(luò)應(yīng)力為186 MPa。
為此，雖然主次翼的根部采用厚度為100mm的鋼板構(gòu)造，但應(yīng)力依然很大，反而拉索的索力卻很小，這就決定了他們?cè)谡麄€(gè)體系中的受力貢獻(xiàn)，通過受力分析，調(diào)整拉索的索力，最后主梁在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)占50%，主翼在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)占42%，次翼在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)占8%。
（4) 主梁
主梁梁高2米（與跨徑的比值為1/50）。主梁行車道布置兩道寬11.75米的單箱三室主縱梁，并與中橫梁、懸臂橫梁共同組成梁格。各橫梁間距與吊桿對(duì)應(yīng)，為5米。
主縱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長5米（同吊桿間距），頂?shù)赘拱寰鶠?6mm鋼板，節(jié)間內(nèi)布置三道橫格板。頂、底板水平加勁采用U肋，腹板水平加勁采用球扁鋼。
主墩附近主縱梁截面加強(qiáng)：箱梁頂板厚度為50mm，底板厚度50mm，腹板厚度30mm。在主墩布置有大橫梁，與兩道主縱梁整體預(yù)制。
主梁順橋向按5m節(jié)間預(yù)制，主箱室頂、底、腹板現(xiàn)場焊接，加勁肋現(xiàn)場栓接。橫向分為懸臂橫梁+主箱室+中橫梁+主箱室+懸臂橫梁五段預(yù)制，現(xiàn)場焊接。
圖3 日景效果圖
（5) 主梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及梁型的確定
為了襯托主次翼達(dá)到振翅欲飛的最終效果，要求主梁盡量輕盈，即結(jié)構(gòu)高度受到很大限制。為此，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度沒有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)自重是十分有害的，結(jié)合主次翼的受力狀況，減輕結(jié)構(gòu)自重，提高剛度是主梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)采?。?br />
選擇了梁高為2000mm鋼梁，僅為跨徑的1/50，結(jié)構(gòu)輕盈；
選擇了雙主縱梁的平面梁格形式，僅在機(jī)動(dòng)車道下面采用鋼箱梁，車行道對(duì)應(yīng)單箱3室，提供足夠的抗彎剛度；
非機(jī)動(dòng)車、人行道和中央分隔帶采用橫梁架設(shè)輕型橋面板梁的形式，減小結(jié)構(gòu)自重；
非機(jī)動(dòng)車和人行道采用與機(jī)動(dòng)車不同的橋面鋪裝，一方面達(dá)到一定的景觀效果，最主要的是自重輕；
防撞護(hù)欄采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，寬度僅為250mm，減少橋梁寬度和單位重量。
通過上面5點(diǎn)措施，主梁的自重將大大降低，有效的降低了工程造價(jià)，達(dá)到了滿足強(qiáng)度的前提下，充分表達(dá)優(yōu)美的造型、簡捷的受力的設(shè)計(jì)理念。通過受力分析，調(diào)整拉索的索力，最后主梁在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)占50%
?。?) 主撐桿
主撐桿采用直徑1600mm，臂厚25mm，在距頂端6000mm長的部分開始漸變到到端部的直徑500mm，橫隔板間距1000mm。主撐桿底部與基礎(chǔ)固結(jié)，頂部采用球鉸支撐主翼翼展接近端部的位置。順橋向傾角70度，與吊桿相同。
?。?) 次撐桿
次撐桿采用直徑1200mm，臂厚25mm，在距頂端6000mm長的部分開始漸變到到端部的直徑500mm，橫隔板間距1000mm。次撐桿底部與基礎(chǔ)固結(jié)，頂部采用球鉸支撐次翼翼展接近端部的位置。順橋向傾角70度，與吊桿相同。
?。?) 撐桿的作用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)
撐桿起到支撐主次翼結(jié)構(gòu)，抵抗作用在主次翼上的橫橋向風(fēng)荷載。撐桿頂端與翼鉸接，下端與地面進(jìn)行固結(jié)處理，不與橋面發(fā)生關(guān)系。這樣做的好處如下：
撐桿頂端與翼采用球鉸鉸接，主次翼支撐處截面高度很小，鉸接形式不存在對(duì)主次翼的附加彎矩；
撐桿傾斜角度(70度)與拉索相同，拉索的拉力有效的傳遞到撐桿上，轉(zhuǎn)化成撐桿的軸力，也就是說索力是不會(huì)對(duì)撐桿地面固結(jié)處產(chǎn)生彎矩的；
翼的自重和撐桿本身的自重會(huì)對(duì)撐桿地面固結(jié)處產(chǎn)生彎矩，這部分很小，主要因素為順橋向的溫度與橫橋向的風(fēng)荷載；
下端固結(jié)處理對(duì)抵抗作用在主次翼上的橫向風(fēng)荷載是非常有必要的，可以最大限度的減小主次翼的橫橋向位移，進(jìn)而減小主次翼根部的風(fēng)荷載附加應(yīng)力。
與橋面不發(fā)生關(guān)系，結(jié)構(gòu)體系更明確，避免了單向接觸的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，長期使用這樣復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，可靠性是很難保證的。
為了提供主次翼足夠的橫橋向支撐剛度，相比方案設(shè)計(jì)階段，主翼撐桿直徑加大到1600mm，次翼直徑加大到1200mm，而兩者的壁厚由原來的50mm減少到25mm，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)加工的難度。
主撐桿最大推力230噸，采用4根直徑1500樁基礎(chǔ)，次撐桿最大推力60噸，采用4根直徑1200樁基礎(chǔ)。
圖4 夜景效果圖
?。?) 主墩預(yù)應(yīng)力墩梁固結(jié)基座，對(duì)體系的突出貢獻(xiàn)
主翼和主梁固節(jié)，然后通過大橫梁底部基座的豎向預(yù)應(yīng)力與主墩承臺(tái)固結(jié)。次翼直接通過基座的豎向預(yù)應(yīng)力與主墩承臺(tái)固結(jié)。
前面已經(jīng)講到，采用100mm鋼板構(gòu)造的主次翼，僅僅提供了全部承載力的50%。其承受的荷載可分為恒定荷載，變化荷載兩種類型。恒定的荷載由吊桿張拉力產(chǎn)生，而變化荷載則是活載等使主梁下?lián)蠣恳鯒U產(chǎn)生的。為了保證主次翼的受力狀態(tài)趨于恒定，而不是承受很大的交變荷載，需要降低主梁的撓度。
當(dāng)主梁剛度確定時(shí)，減小主梁撓度的直接手段是提高主梁的位移階次。主墩墩梁固結(jié)后的主梁相比方案設(shè)計(jì)階段的支座支承，主梁的位移階次提高了1/2階，同等荷載的撓度大大下降。另外，隔離了主橋兩跨的活載效應(yīng)，當(dāng)活載在一側(cè)100m跨上滿布時(shí)，對(duì)另外一側(cè)完全沒有影響大大減小了整個(gè)體系的活載變形量，并因此降低了主次翼的應(yīng)力幅度。
基座的固定通過施加豎向預(yù)應(yīng)力來進(jìn)行構(gòu)造，豎向預(yù)應(yīng)力穿過承臺(tái)后返回，形成U形，對(duì)兩跨不平衡力矩的安全系數(shù)為1.5。
（10) 吊桿
吊桿對(duì)于主墩軸線對(duì)稱，兩側(cè)各13排，第一排距主墩軸線20米，每排間距5米，每排在主梁懸臂橫梁端各一根，在主梁中橫梁間距1.5米布置兩根，全橋共104根。規(guī)格統(tǒng)一采用公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa的8×19S+IWR（鋼芯）φ36（GB/T8918-1996）鋼絲繩。吊桿頂部為插耳式錨端，底部采用螺桿張拉。吊桿張拉力為25噸，成橋運(yùn)營時(shí)最大軸力為28噸(升溫組合)，安全系數(shù)3.0。
首先鋼絲繩的耐疲勞性能好，能很好的適應(yīng)風(fēng)振及錨固端夾角在使用中隨結(jié)構(gòu)變形而改變等問題。
尤為重要的是，采用高強(qiáng)鋼絲繩可在同等使用荷載下盡量減小鋼絲繩的截面積，即盡可能降低吊桿的抗拉剛度。這樣在環(huán)境溫度升高（或降低）40度時(shí)，對(duì)主次翼產(chǎn)生的附加力(△EA)很?。ㄖ饕砀郊討?yīng)力5MPa，次翼附加應(yīng)力2MPa）。另外，結(jié)合關(guān)于“主墩墩梁固結(jié)”的論述，吊桿的抗拉剛度越小，活載對(duì)主次翼產(chǎn)生的作用就越小，對(duì)主次翼的安全是至關(guān)重要的。
?。?1) 主墩基礎(chǔ)
主墩采用三排共28根Φ1.8米鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長75米，接高樁承臺(tái)。
中墩承受上部結(jié)構(gòu)的豎向力和彎矩。其垂直荷載大，單樁承載力要求高，根據(jù)承載要求，選擇的持力層為標(biāo)高-69m以下土層，土層為粉質(zhì)粘土。
中墩坐落于海河當(dāng)中，采用高樁承臺(tái)，厚度4米，頂高程2.5米，高出通航水位(1.5米)1米。
主墩為高樁承臺(tái)，有利于防撞（更醒目），有利于抵抗冰凍擠壓損耗（損耗的是無害的部分），有利于施工（避免深水圍堰或沉箱）。灌注樁有較大自由長度，φ1800mm群樁基礎(chǔ)能夠在長期使用中提供足夠的各向支撐剛度，同時(shí)在地震中體現(xiàn)足夠的柔度，阻隔地震動(dòng)力加速度對(duì)橋體的作用。
（12) 撐桿基礎(chǔ)
中撐桿采用樁徑φ150cm，4根樁和一個(gè)異形承臺(tái)組成。邊撐桿采用樁徑φ120cm，4根樁和一個(gè)異形承臺(tái)組成。
?。?3) 主引橋連接墩
采用雙排φ120cm鉆孔灌注樁接承臺(tái)，承臺(tái)頂布置墩柱，通過高、低蓋梁支撐兩側(cè)主梁。
?。?4) 防撞護(hù)欄的選擇
主橋采用鋼結(jié)構(gòu)的防撞護(hù)欄，但滿足PL3級(jí)的要求。因中央分隔帶內(nèi)有吊桿，非機(jī)動(dòng)車道的輕型橋面板不能承受重載，PL3是絕對(duì)必要的。
（15) 橋面鋪裝
主橋機(jī)動(dòng)車道的好壞直接影響到行車的安全性，舒適性、橋梁耐久性。對(duì)于直接鋪設(shè)在正交異性鋼板上的材料，由于受車輪集中荷載、溫度變化及鋼橋面局部變形等因素的影響，對(duì)其強(qiáng)度、變形特性、溫?zé)岱€(wěn)定性，疲勞耐久性等均有更高的要求。根據(jù)本橋當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度變化幅度為-25℃～+50℃的情況，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)擬采用環(huán)氧樹脂瀝青（Epoxyasphalt）混合料方案，借鑒南京長江二橋環(huán)氧瀝青混合料橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，本橋宜采用雙層式鋪裝結(jié)構(gòu)（每層厚度30mm），共6cm環(huán)氧瀝青砼結(jié)構(gòu)。
?。?6) 主橋有限元分析
計(jì)算軟件為MIDAS Civil，考慮活載偏載等的影響，使用梁格模型模擬主橋主體結(jié)構(gòu)。計(jì)算中箱梁各腹板受力不均勻；汽車沖擊力按“規(guī)范”選?。惑w系溫差為均勻升、降溫40。C；橫向風(fēng)力為靜風(fēng)壓1.64kPa；人群及非機(jī)動(dòng)車采用2.4kPa。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了主橋主體結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理性、安全性。
3.有關(guān)資料
設(shè)計(jì)單位：天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院
建設(shè)單位：天津市濱海市政建設(shè)發(fā)展有限公司(Tianjin BinHai Municipal Construction &Development Co.LTD)
混凝土用量：13380
鋼材用量：74000t
造 價(jià)：3.9億
