自錨式懸索-斜拉協作體系設計與景觀

任宏業，任國紅，王青橋

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

近年來，城市橋梁景觀要求日益提高，自錨式懸索橋作為城市景觀效果較好的一種橋型得到了大力發展。自錨式懸索橋有著其他橋型不可比擬的優點，如：避免了傳統地錨式懸索橋的缺點，不需要修建大體積錨錠，對橋位處地質條件要求寬松；保留了傳統懸索橋的外形，在主跨100～200 m跨徑范圍內的城市橋梁方案比選中具有較強的競爭力。但是，如何在現有常規自錨式懸索橋基礎上，結合合理的結構設計理念，改良橋型景觀效果是下一步橋梁景觀師努力的方向之一。

現階段的自錨式懸索橋主梁大多采用混凝土結構，根據自錨式懸索橋的受力特點，成橋后的主梁將承受著巨大的壓力，選用混凝土結構可以充分發揮其抗壓優勢，且后期養護費用較低。但是，由于橋型結構本身的受力特點，選用混凝土主梁同樣也產生結構受力上的弊端，如：加勁梁因收縮、徐變效應縮短而導致邊跨主纜松弛；索塔受到主纜不平衡水平力因收縮、徐變日益增加；加勁梁中跨下撓等。因此，如何減小因自錨式懸索橋橋型特點而產生的結構受力弊端也是我們不斷探索的方向。

本文以某項目工程作為依托，對跨越城市河道的景觀橋梁進行方案設計，選用自錨式懸索橋作為結構受力基礎，從景觀和受力角度進行一系列的改進，使之景觀效果獨特，受力合理。

1 橋型景觀方案

1.1 方案要求

根據招標文件要求，該橋型景觀方案必須具備以下幾個方面：

（1）橋型景觀方案必須具備超前現代、和諧自然、獨一無二的理念，且可以融合當地的山水景觀及地域文化。

（2）結合橋位地形、地質、通航、防洪等要求及下穿橫向道路，選擇合理的橋跨組合，且橋梁本身必須具有多視角的可觀賞性。

（3）避免常水位下水中設墩，以免破壞城市河道整體自然景觀。

設計橋位處河床寬度約300 m，其中東側約160 m為水面，西側約140 m為漫灘，東岸已建成駁岸，西岸為自然堤岸。方案構思前期，通過對現有自錨式懸索橋、斜拉橋、拱橋橋型仔細研究，充分吸收各類橋型的特點，方案設計中將3種橋型特點巧妙融合，提出自錨式懸索—斜拉協作體系受力結構。該方案的新穎設計獲得了領導及專家組的一致認可，投標獲得方案設計第一名，橋梁景觀效果圖如圖1所示。

方案塔柱橫橋向采用“拱”形結構，吸取了中國傳統拱橋柔美的元素，塔柱一高一低，高塔象征太陽，低塔象征月亮，體現出“日月爭輝”般的詩情畫意；中跨纜索、吊桿是取自懸索橋元素，主纜高低起伏，曲線優美，從橋面跨越長空，輕盈流暢，結構造型生動；邊跨采用斜拉索，稀疏緊繃的斜拉索邊跨扇形散開，體現出剛性的張力。從景觀效果上講，建造這樣一座橋是需要將各種橋型元素協調地融于一體，剛柔并濟，“橫看成嶺側成峰”，無論建在何處都將成為一座城市的地標性建筑。

1.2 主橋橋跨布置

根據橋位處的地理特點，主橋的橋跨布置考慮了如下幾個因素：

（1）通航要求：內河VI級航道，通航凈高4.5 m，凈寬40 m。

（2）常水位下河面寬度160 m，洪水位時河面寬度300 m。綜合考慮景觀因素，除少數洪水期月份外，全年大部分時間中跨基本覆蓋主河道，避免常水位水中設墩，即一跨過河。

（3）在滿足功能、景觀的要求下，施工方便、經濟。

綜合以上因素，鎖定橋梁主跨跨徑160～180 m之間。

1.3 塔高確定

工程建筑的和諧美就是尋求比例與尺度的協調，對于橋梁建筑這種單維突出的結構，比例的協調就顯得尤為重要。一座橋梁，各部分比例只有達到勻稱和諧時才能構成優美的形象，因此在保證結構受力合理的前提下，塔高設計參考橋梁美學理論，從以下幾個方面確定：

（1）滿足受力需要，鎖定主跨纜索矢跨比為1/4。

（2）常規懸索橋塔高（橋面以上）與主跨之比分布在0.2～0.4之間。

（3）主塔橫橋向塔座間距49 m，輔塔橫橋向塔座間距29 m，根據建筑美學中的黃金分割比例理論，即：長寬比接近0.618時可以達到人的最佳視覺效果，以此確定塔高，確?！肮啊毙嗡旧淼拈L寬比比例協調。

（4）橋梁立面上高、低塔比例關系協調。

2 橋梁總體布置

該橋采用懸索—斜拉協作體系設計，其跨徑布置為35 m+50 m+168 m+50 m+35 m+35 m=373 m，其中有索區303 m。為了減小梁段轉角，兩側各設35 m配跨，主梁斷面全寬44 m，采用半飄浮體系。中跨主纜通過塔頂橫梁置放的轉索鞍轉向并錨于邊跨混凝土箱梁中，在塔頂轉索鞍外側的塔頂暗橫梁與索塔交界處錨固邊跨斜拉索。東側邊跨90 m有索區范圍內設一道輔助墩，改善邊跨結構受力。中跨采用疊合梁，邊跨及配跨采用混凝土主梁。高、低索塔采用“拱”形混凝土結構，高塔與主梁間完全分離，低塔從主梁機非分隔帶內穿過，主塔及輔塔處的梁底支座設橫向限位裝置，邊墩及輔助墩處設置縱向滑動支座，僅提供豎向及橫向約束。總體布置立面如圖2所示。

中跨采用鋼—混凝土疊合梁結構，π形主縱梁采用閉口矩形斷面，單側梁寬4.5 m，梁高3.0 m，橫橋向設鋼橫梁，梁高3 m，間距8 m與吊桿吊點一一對應。鋼橫梁采用工字形斷面，與主縱梁間采用螺栓栓接，上設栓釘與現澆鋼筋混凝土橋面板牢固連接，共同受力。邊跨采用與主跨相似斷面雙邊梁結構，中橫梁與拉索點、輔助墩對應，纜索錨固點處采用變截面梁高6.5 m，無索區配跨與有索區斷面一致。邊、中跨箱梁橫斷面如圖3、圖4所示。

高、低塔采用混凝土結構，塔柱中心線采用懸鏈線結構，高塔塔高80 m，低塔塔高55 m?？v橋向沿塔高采用變截面，塔頂部設暗橫梁，置放主纜鞍座及斜拉索錨固；塔底設承臺、系梁，承擔著塔柱產生的橫向水平力。

主纜、吊桿、斜拉索均為空間索結構，主纜采用國內較為成熟的PPWS法施工，工廠預制平行鋼絲索股，現場在貓道上逐股安裝架設。主塔頂部設置轉索鞍，兩個主鞍相對傾斜地安裝在塔頂隔柵上,為增加主纜與鞍槽間的摩阻力，并方便索股定位，鞍槽內設豎向隔板，在索股全部就位并調股后，在頂部用鋅塊填平，再將鞍槽側壁用螺栓夾緊。主纜通過散索鞍轉向并經散索套發散后分成若干股錨固于混凝土主梁尾端，斜拉索上錨端錨于索塔內，下錨端與吊桿一致錨于主梁機非分隔帶內，高、低拱立面圖如圖5、圖6所示。

3 橋梁設計難點處理

該橋景觀方案新穎，橋梁整體結構及局部構件設計將牽涉若干難點。

3.1 纜索、斜拉索、梁、塔間力的傳遞與分配

塔柱頂部設轉索鞍，將主纜穿過轉索鞍，錨于邊跨支點處，與加勁梁形成一體，在常規自錨式懸索橋體系中，整個結構為自平衡狀態，纜索在塔頂產生的水平力相等，成橋狀態下，塔底縱向無彎矩；在改良的協作體系中，成橋狀態下預張拉斜拉索，張拉量為收縮、徐變、活載產生的最大塔底彎矩反向的一半，即成橋狀態下塔柱向邊跨預偏，當各種荷載不利效應對主塔產生向跨中方向的最不利彎矩時，向邊跨預偏的彎矩能夠抵消一部分，減小塔柱的最不利彎矩狀態，改善塔柱受力，全橋傳力模式如圖7所示。

3.2 主纜鞍座、斜拉索在塔上橫梁處的安放與錨固

鞍座置于塔頂暗橫梁上近主塔位置，鞍座外側設錨固斜拉索，斜拉索錨固點位于塔頂暗橫梁與塔柱交界處，鞍座、斜拉索在塔頂橫梁受力互不干涉，鞍座、斜拉索置放位置如圖8所示。

3.3 塔柱橫向力學性能分析

塔柱的線形需考慮景觀和結構受力相結合，塔柱的外形采用懸鏈線模擬，塔頂設暗橫梁，鞍座置放于主塔及暗橫梁交界處的內側，空間纜索將在鞍座上產生豎向壓力及水平力。根據簡單的力學圖示分析可以看出：在節點處水平力由暗橫梁承擔，豎向力主要由斜向塔柱承擔，根據此受力模式進行塔柱中心線形的m值（拱軸系數）選擇，節點力學模型如圖9所示。

3.4 主跨空間纜索系統設計

空間纜索懸索橋由于主纜和吊索形成了一個三維的索系，在對豎向承載能力影響不大的情況下，纜索系統的橫向承載能力得到顯著提高，從而大大提高了整個橋梁的橫向剛度和抗扭剛度。但是，主纜線型的確定由于空間效應而增加了難度。

自錨式懸索橋主纜的成橋線型及內力，與吊桿的張拉力大小密不可分，同時要受到加勁梁上主纜錨固點變位的影響，因此，若要精確計算主纜成橋線型與內力，需要在計入吊桿和加勁梁影響的全結構中來進行。可以采用模擬全結構的空間模型，考慮幾何非線性的空間有限元方法，同步迭代求解主纜的成橋線型與內力及吊桿的張拉力的方式求得，吊桿的張拉力的確定要兼顧優化加勁梁的受力。

4 橋梁結構分析

為了驗證全橋結構受力體系的可行性，利用大型有限元軟件Midas建全橋模型進行結構分析，模型中橋塔和主梁采用梁單元進行模擬，主纜、吊桿、斜拉索采用桿單元進行模擬，用于驗證自錨式懸索—斜拉橋成橋狀態結構的合理性、全橋動力性能的適宜性、邊跨斜拉索對整體結構受力的改善作用，以及尋找索塔橫橋向最佳的合理拱軸線。分析結論如下。

4.1 成橋狀態分析

混凝土主梁采用支架結構施工，成橋狀態梁的彎矩如圖10所示，成橋時中跨彎矩分布均勻，邊跨由于斜拉索的存在，可以對邊跨主梁起到類似輔助墩般的支撐作用，主塔縱向彎矩根據結構需要張拉斜拉索進行預偏。

4.2 斜拉索作用分析

在主梁幾何非線性效應、混凝土的收縮、徐變、活載作用下索塔向中跨跨中彎曲，索塔左、右側的不平衡彎矩相差較大，如圖11、圖12所示（僅顯示塔結構彎矩），通過張拉斜拉索對活載和收縮徐變引起的不平衡彎矩有明顯的調節作用，索塔彎矩如圖13所示。減小了懸索橋根部縱向彎矩的控制截面尺寸，若邊跨無斜拉索，僅通過主纜與鞍座的摩擦力形成索塔的預偏，那只能控制在微量范圍內，且對纜索受力產生不利效應。

4.3 全橋動力性能分析

由表1中數據可以看出，該橋型結構體系動力性能與常規自錨式懸索橋類似。

表1 動力特性表

4.4 塔受力分析

塔的中心軸線為曲線，相較于常規的直線形塔，塔的橫向受力需引起足夠重視，塔的橫向受力與塔的造型密切相關，通過不斷分析驗證，采用懸鏈線，塔結構橫向受力狀態相對較好，當塔的中心軸線采用橢圓線時，塔底彎矩明顯增大。通過分析計算，該方案塔的中心軸線采用拱軸系數為15的懸鏈線。

5 結語

本文提出的橋梁方案景觀構思奇特、新穎，是多種橋梁結構的巧妙融合，使其發揮各自的優勢，在橋梁結構本身受力合理的前提下，可以營造較好的城市景觀。本文對該方案的結構體系進行了分析，充分論證了邊跨采用斜拉索能更好地改善全橋的力學性能，同時對橋梁景觀和結構提出一種新的設計思路。盡管該景觀橋的力學體系是切實可行的，但整個橋梁結構中的每個構件設計仍相當復雜，在下一步的設計中仍需謹慎處理。

[1]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]胡建華.現代自錨式懸索橋理論與應用[M].北京：人民交通出版社,2008.