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中图分类号：文献标识码： A 文章编号：
摘要蚌埠桥为特殊的平面反对称空间梁拱组合结构，两侧造型如飘带的辅桥引导游人通向彼岸带状沿河公园，主桥与辅桥之间设置三维空间的纵横拱网格状结构以将其分离开来并提供相关支撑，其构思精细巧妙、造型独特新颖、结构受力及构造处理复杂。
关键词纵横拱网状结构主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配性能空间梁拱组合体系
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
蚌埠桥位于天津市区中心地段的海河上。它东接河东区十三经路，西连河西区蚌埠道，成为河东、河西两区之间又一重要跨河通道。按天津城市总体发展布局，蚌埠桥所处小白楼中央金融商务区，为城市CBD核心部分。规划在这一地区重点建设金融、办公、商务、信息等现代化经济中心城市之功能设施，为天津市创造吸引国际化企业的良好商务环境，该地区将成为现代化经济中心之突出标志。
蚌埠桥起点为蚌埠道与解放南路交口，上跨海河西路、海河以及海河东路后与六纬路平交，为城市次干路。主桥长192米且与河道正交。跨越的海河为Ⅵ级航道，水位1.5米，主航道净宽30米、净高4.5米；海河西路、海河东路净宽分别为16、24米，净空均为3.5米。设计标准为汽车城A级；人群荷载，整体分析2.4kN/m²。
蚌埠桥规划为机非混行桥，机动车双向4车道。桥梁考虑人行过河，在主桥两侧设辅桥作为观光人行道，并通过梯道连接至河道两侧的带状公园。桥梁的平面设计成反对称结构，主桥结构和两侧行人辅桥结构由空间纵、横拱网状构造支撑并提供连接。整体上桥梁横向可依次划分为：人行辅桥、纵横拱构造、主桥、纵横拱构造、人行辅桥。其主桥宽23.5，具体布置为0.50米（栏杆带）+1.75米（人行道）+2米（非机动车道）+ 7米（机动车道）+0.25米（路缘带）+0.5米（中央分隔带）+0.25米（路缘带）+ 7米（机动车道） +2米（非机动车道）+ 1.75米（人行道）+0.50米（栏杆带）； 辅桥净宽各3米。
图1 桥梁横断效果图
图2 桥梁效果图
主桥与辅桥中间的两部分为空间纵横拱网格结构。这里凹形的纵横拱区域得到了最大程度的利用，一个连接主桥人行道的平台、经数阶后又一个连接辅桥的平台，该梯道呈喇叭孔状延伸至此岸的亲水平台与带状公园，从而解决了主桥和辅桥游人达到不同河岸公园的需求。
2. 桥型设计特点
主桥为单箱多室钢箱梁结构，辅桥为悬臂挑梁结构。桥梁的主要承重由设置在主桥和辅桥之间的两组（主桥两侧各有一组）三维空间网状结构实现。每组三维空间网状结构均包括：连接主桥和辅桥的挑梁及3道纵拱、17道横拱。
纵拱不是简单的平面内拱形构造，而是扭曲的空间构造，以适应桥梁不同部位的受力及构造连接要求。横拱既是重要的承重结构，又起到了连接主桥和辅桥使它们能共同受力的作用。纵、横拱的受力又不是简单孤立的，与连接主桥和辅桥的6米一道的挑梁共同组成了三维空间网状结构，来共同承担结构负荷。本桥为特殊的梁拱组合结构体系，主体结构全部采用Q370qD钢材，桥型布置如下图：
图3桥型布置（平面、立面、断面）
3.纵横拱网格设计
3. 1主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配性能
蚌埠橋结构造型新颖、受力复杂，结构总体上由正交异性板主桥钢箱梁体、纵横拱及挑梁构成的网格结构和辅桥梁格构成。辅桥梁格可视为主桥和网状格构的悬臂结构，其受力比较简单；而主桥梁体和网状格构则为全桥的主要承载和传力结构。为了使结构更加轻盈通透、增强景观视觉效果，网状格构构件做得比较纤小，纵拱和横拱截面都尽量利用材料本身的承载能力，挑梁也是根据受力的特点采用高度变化的截面，以获得纵横拱与挑梁采用较佳的刚度匹配。
图4 空间计算模型
主桥钢箱梁体、纵横拱网状结构主要承重。为了使结构更加轻盈，网状格构构件做得比较纤小，纵拱和横拱都尽量利用材料本身的承载能力。从全局上讲，主桥梁体与由纵横拱及挑梁共同组成的网格结构的刚度匹配对于结构整体受力来说显得格外重要。分别对不同梁高主桥钢箱的情况进行计算分析和对比，以了解主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配特性。结果表明，较低梁高情况下，纵横拱提供刚度约40%（主桥钢箱约60%），而适当增加梁高，纵横拱提供刚度可减小至30%以下（主桥钢箱约70%以上）。加大梁高后，整体结构尤其是纵横拱网格的应力水平明显降低，钢材性能要求也相应降低，基频亦有所提高（约20%）从而一定程度上改善动力性能，且适当加高梁高后，桥梁整体的美观效果受影响较小。
因此，从全局上讲，主桥梁体与由纵横拱及挑梁共同组成的网格结构的刚度匹配对于结构整体受力来说显得格外重要。改变梁体的刚度对景观影响较小且对改善整体受力影响较大。分析了几种结构后,通过计算分析结果对比表明，增强主桥梁体的刚度，结构整体刚度显著增强，结构基频较提高较大，相应模态的振型质量参与系数也有所提高。结构的某些较不利的振动模态也推迟或减少出现，这对改善结构的动力性能也是具有一定好处的。
3.2纵横的线性及截面的选择
纵横拱构成的空间网格为本桥最大特色和亮点，既要体现富于韵律的曲线线形的变化以及桥梁整体的通透之感，还要满足必要的受力传力性能。鉴于此，纵拱线形采用无规则的缓慢变化的空间三维曲线、其在立面和平面的投影亦由凹至凸缓慢平顺变化，同时其截面沿拱轴方向扭转，扭转角度最大可达61度（竖直向上为0度）；横拱线形亦为平面内无规则曲线，且从此岸的曲率较大的凹形（A-5）渐渐过渡至曲率较小的凹形（A-1），经由本侧水中支撑部位无横拱（此处为加强横梁）后开始变化到曲率渐渐增加的凸形，至反对称侧水中支撑相应部位较大曲率凸形（A7、A8）后，渐变至彼岸曲率较小的凸形横拱（A10、A11）。纵横拱尤其是纵拱和凸形横拱截面外形尺寸不宜过大，其中：纵拱宽约0.3米、高约0.4米，在必要的位置进行板厚向内腔侧加强或设置内腔钢板以满足局部或节点的受力或构造要求；横拱依拱格局部受力和构造连接之需求，分段考虑截面形式，分别采用了封闭箱型、U型及两块分离钢板组合型等多种形式，并在局部位置尤其是与纵拱相交节点部位予以加强。凹形横拱尤其是其与主桥连接侧的根部，其受力较大且为桥间楼梯所遮挡，可适当放宽截面外形尺寸限制。
纵拱断面
横拱断面
图5 三维空间网状结构及纵横拱断面形式
纵横拱为空间扭曲宛若纤细飘带的曲线线形，是本桥重要的传力构件。如何在满足其纤巧的截面及优美线形要求的前提下，保证结构安全及可实施性，是本桥的设计重点。
4 结语
随着社会的发展和人们对环境与审美的不断提升，桥梁建设突破了传统理念的束缚，逐渐向新型、景观等多方向发展。加之计算机辅助应用技术的发展和结构计算分析理论的逐步完善，各种与环境、美学景观融合的复杂桥型的建设已成为可能。蚌埠桥作为这一趋势的尝试与探索，取得了一定的经济和社会效益。蚌埠桥为平面反对称空间梁拱组合结构体系，其纵横拱网格结构不仅在横桥向为主桥连续钢箱和辅桥梁格提供连接，还在顺桥向为整个桥体提供必要的支撑。特殊的结构造型导致其受力十分复杂，尤其是纵横拱外形纤细且钢板相对较厚，横拱截面形式又富于变化，加之桥体的特殊线形等诸多方面，都给结构的加工制作及桥体线形的控制带来极大难度。
摘要蚌埠桥为特殊的平面反对称空间梁拱组合结构，两侧造型如飘带的辅桥引导游人通向彼岸带状沿河公园，主桥与辅桥之间设置三维空间的纵横拱网格状结构以将其分离开来并提供相关支撑，其构思精细巧妙、造型独特新颖、结构受力及构造处理复杂。
关键词纵横拱网状结构主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配性能空间梁拱组合体系
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
蚌埠桥位于天津市区中心地段的海河上。它东接河东区十三经路，西连河西区蚌埠道，成为河东、河西两区之间又一重要跨河通道。按天津城市总体发展布局，蚌埠桥所处小白楼中央金融商务区，为城市CBD核心部分。规划在这一地区重点建设金融、办公、商务、信息等现代化经济中心城市之功能设施，为天津市创造吸引国际化企业的良好商务环境，该地区将成为现代化经济中心之突出标志。
蚌埠桥起点为蚌埠道与解放南路交口，上跨海河西路、海河以及海河东路后与六纬路平交，为城市次干路。主桥长192米且与河道正交。跨越的海河为Ⅵ级航道，水位1.5米，主航道净宽30米、净高4.5米；海河西路、海河东路净宽分别为16、24米，净空均为3.5米。设计标准为汽车城A级；人群荷载，整体分析2.4kN/m²。
蚌埠桥规划为机非混行桥，机动车双向4车道。桥梁考虑人行过河，在主桥两侧设辅桥作为观光人行道，并通过梯道连接至河道两侧的带状公园。桥梁的平面设计成反对称结构，主桥结构和两侧行人辅桥结构由空间纵、横拱网状构造支撑并提供连接。整体上桥梁横向可依次划分为：人行辅桥、纵横拱构造、主桥、纵横拱构造、人行辅桥。其主桥宽23.5，具体布置为0.50米（栏杆带）+1.75米（人行道）+2米（非机动车道）+ 7米（机动车道）+0.25米（路缘带）+0.5米（中央分隔带）+0.25米（路缘带）+ 7米（机动车道） +2米（非机动车道）+ 1.75米（人行道）+0.50米（栏杆带）； 辅桥净宽各3米。
图1 桥梁横断效果图
图2 桥梁效果图
主桥与辅桥中间的两部分为空间纵横拱网格结构。这里凹形的纵横拱区域得到了最大程度的利用，一个连接主桥人行道的平台、经数阶后又一个连接辅桥的平台，该梯道呈喇叭孔状延伸至此岸的亲水平台与带状公园，从而解决了主桥和辅桥游人达到不同河岸公园的需求。
2. 桥型设计特点
主桥为单箱多室钢箱梁结构，辅桥为悬臂挑梁结构。桥梁的主要承重由设置在主桥和辅桥之间的两组（主桥两侧各有一组）三维空间网状结构实现。每组三维空间网状结构均包括：连接主桥和辅桥的挑梁及3道纵拱、17道横拱。
纵拱不是简单的平面内拱形构造，而是扭曲的空间构造，以适应桥梁不同部位的受力及构造连接要求。横拱既是重要的承重结构，又起到了连接主桥和辅桥使它们能共同受力的作用。纵、横拱的受力又不是简单孤立的，与连接主桥和辅桥的6米一道的挑梁共同组成了三维空间网状结构，来共同承担结构负荷。本桥为特殊的梁拱组合结构体系，主体结构全部采用Q370qD钢材，桥型布置如下图：
图3桥型布置（平面、立面、断面）
3.纵横拱网格设计
3. 1主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配性能
蚌埠橋结构造型新颖、受力复杂，结构总体上由正交异性板主桥钢箱梁体、纵横拱及挑梁构成的网格结构和辅桥梁格构成。辅桥梁格可视为主桥和网状格构的悬臂结构，其受力比较简单；而主桥梁体和网状格构则为全桥的主要承载和传力结构。为了使结构更加轻盈通透、增强景观视觉效果，网状格构构件做得比较纤小，纵拱和横拱截面都尽量利用材料本身的承载能力，挑梁也是根据受力的特点采用高度变化的截面，以获得纵横拱与挑梁采用较佳的刚度匹配。
图4 空间计算模型
主桥钢箱梁体、纵横拱网状结构主要承重。为了使结构更加轻盈，网状格构构件做得比较纤小，纵拱和横拱都尽量利用材料本身的承载能力。从全局上讲，主桥梁体与由纵横拱及挑梁共同组成的网格结构的刚度匹配对于结构整体受力来说显得格外重要。分别对不同梁高主桥钢箱的情况进行计算分析和对比，以了解主桥钢箱与网格状纵横拱刚度匹配特性。结果表明，较低梁高情况下，纵横拱提供刚度约40%（主桥钢箱约60%），而适当增加梁高，纵横拱提供刚度可减小至30%以下（主桥钢箱约70%以上）。加大梁高后，整体结构尤其是纵横拱网格的应力水平明显降低，钢材性能要求也相应降低，基频亦有所提高（约20%）从而一定程度上改善动力性能，且适当加高梁高后，桥梁整体的美观效果受影响较小。
因此，从全局上讲，主桥梁体与由纵横拱及挑梁共同组成的网格结构的刚度匹配对于结构整体受力来说显得格外重要。改变梁体的刚度对景观影响较小且对改善整体受力影响较大。分析了几种结构后,通过计算分析结果对比表明，增强主桥梁体的刚度，结构整体刚度显著增强，结构基频较提高较大，相应模态的振型质量参与系数也有所提高。结构的某些较不利的振动模态也推迟或减少出现，这对改善结构的动力性能也是具有一定好处的。
3.2纵横的线性及截面的选择
纵横拱构成的空间网格为本桥最大特色和亮点，既要体现富于韵律的曲线线形的变化以及桥梁整体的通透之感，还要满足必要的受力传力性能。鉴于此，纵拱线形采用无规则的缓慢变化的空间三维曲线、其在立面和平面的投影亦由凹至凸缓慢平顺变化，同时其截面沿拱轴方向扭转，扭转角度最大可达61度（竖直向上为0度）；横拱线形亦为平面内无规则曲线，且从此岸的曲率较大的凹形（A-5）渐渐过渡至曲率较小的凹形（A-1），经由本侧水中支撑部位无横拱（此处为加强横梁）后开始变化到曲率渐渐增加的凸形，至反对称侧水中支撑相应部位较大曲率凸形（A7、A8）后，渐变至彼岸曲率较小的凸形横拱（A10、A11）。纵横拱尤其是纵拱和凸形横拱截面外形尺寸不宜过大，其中：纵拱宽约0.3米、高约0.4米，在必要的位置进行板厚向内腔侧加强或设置内腔钢板以满足局部或节点的受力或构造要求；横拱依拱格局部受力和构造连接之需求，分段考虑截面形式，分别采用了封闭箱型、U型及两块分离钢板组合型等多种形式，并在局部位置尤其是与纵拱相交节点部位予以加强。凹形横拱尤其是其与主桥连接侧的根部，其受力较大且为桥间楼梯所遮挡，可适当放宽截面外形尺寸限制。
纵拱断面
横拱断面
图5 三维空间网状结构及纵横拱断面形式
纵横拱为空间扭曲宛若纤细飘带的曲线线形，是本桥重要的传力构件。如何在满足其纤巧的截面及优美线形要求的前提下，保证结构安全及可实施性，是本桥的设计重点。
4 结语
随着社会的发展和人们对环境与审美的不断提升，桥梁建设突破了传统理念的束缚，逐渐向新型、景观等多方向发展。加之计算机辅助应用技术的发展和结构计算分析理论的逐步完善，各种与环境、美学景观融合的复杂桥型的建设已成为可能。蚌埠桥作为这一趋势的尝试与探索，取得了一定的经济和社会效益。蚌埠桥为平面反对称空间梁拱组合结构体系，其纵横拱网格结构不仅在横桥向为主桥连续钢箱和辅桥梁格提供连接，还在顺桥向为整个桥体提供必要的支撑。特殊的结构造型导致其受力十分复杂，尤其是纵横拱外形纤细且钢板相对较厚，横拱截面形式又富于变化，加之桥体的特殊线形等诸多方面，都给结构的加工制作及桥体线形的控制带来极大难度。