既有城市斜拉橋景觀改造的優(yōu)化設計方法研究

曾應祝 郝柳青

（核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610000；西華大學土木建筑與環(huán)境學院 610039）

1 概況

1.1 工程概況

某斜拉橋位于城市商業(yè)核心區(qū)，上跨河流，主橋為（38.5+71+38.5）m三跨雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，橋型布置如圖1所示。

該橋采用雙主梁形式，橋?qū)?2m，采用墩塔梁固結(jié)體系，主梁梁高1.44m，邊肋寬度為1.3m。橫隔板間距為6m，厚度為30cm，墩頂橫梁寬度為1.5m。在邊跨設有1m長的實體段，主梁頂板厚30cm，設雙向2%橫坡，橫梁均設有預應力鋼絞線束，設計荷載為城市-A級，人群荷載為3.5kN/m2，主梁橫斷面及橫向布置如圖2所示。

橋塔總高22.5m，主墩高20m，均為 圖2 主梁橫向布置圖（尺寸單位：cm）

鋼筋混凝土實心矩形截面，承臺下采用鉆孔樁組成群樁基礎，如圖 3所示。斜拉索為雙索面，單排布置在人行道上，每個塔上采用5對10根斜拉索，全橋共計40根。

該橋在最初設計時未考慮景觀效果，橋梁線條過于平直，線形缺乏韻律變化，與當?shù)厣虡I(yè)核心區(qū)的整體建筑風格大相徑庭，因此需要進行橋梁景觀改造設計[1]。

圖3 橋墩及橋塔布置(尺寸單位:cm)

1.2 主要病害

在經(jīng)過了長期使用后，該橋主要存在如下病害：

（1）開裂現(xiàn)象：跨中部位的主梁開裂較為嚴重，橫梁、頂板、下塔柱邊緣角處局部也存在開裂現(xiàn)象。

（2）主梁混凝土抗壓強度測定值不符合設計強度C50要求。

（3）承載能力：主梁跨中部分、墩塔梁固結(jié)處及橋墩頂?shù)某休d能力不能滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的要求。

（4）裂縫：橋塔裂縫最大0.19mm，橋墩頂最大裂縫0.28mm，橋墩底最大裂縫0.21mm。

2 優(yōu)化方案設計

在對該橋進行景觀優(yōu)化設計時，還需同時解決橋梁存在的上述病害，這對改造設計提出了更高的要求。

2.1 增加截面

增加截面法[2-4]是在橋梁承載能力不足時采取的常規(guī)加固方法。但是，在已有的一些工程實踐中，結(jié)構(gòu)截面增大后，嚴重破壞了橋梁的景觀效果，在本文研究中，對使用增大截面法來提高承載力和提升橋梁景觀效果之間做了優(yōu)化考慮[5-6]。

（1）主梁部分：邊跨下緣增加60cm、外側(cè)30cm、內(nèi)側(cè)25cm的U形截面，如圖4所示。中跨底緣增加40cm、外側(cè)30cm、內(nèi)側(cè)25cm的U形截面，如圖5所示。中墩墩頂?shù)拙壴黾?00cm、外側(cè)30cm、內(nèi)側(cè)75cm的U形截面，中墩增加截面至邊、中跨增加截面之間設1750cm的過渡段，增加截面采用C50自密實混凝土。布筋原則如下：加大截面植筋均采用Φ20鋼筋，縱向間距45cm，分段處及橋墩兩側(cè)13.75m范圍內(nèi)加密至30cm。底部縱向鋼筋采用Φ32鋼筋，布置間距10cm，除橋墩兩側(cè)7.625m及端部6.5m范圍內(nèi)采用單層布筋外其余梁段均采用雙層布筋。從圖 6可以看出，采用增大截面的方式后，主梁高度呈曲線變化，解決了原結(jié)構(gòu)主梁平直線條與周圍建筑景觀不協(xié)調(diào)的問題。同時，截面的增大原則符合結(jié)構(gòu)受力要求，實現(xiàn)了力與美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

圖4 邊跨跨中截面（尺寸單位：cm）

圖5 中跨跨中截面（尺寸單位：cm）

（2）下部結(jié)構(gòu)：橋墩四周全高范圍內(nèi)增加50cm厚(截面采用C40混凝土)，承臺增加120cm厚(截面采用C40混凝土)，并且在墩塔梁固結(jié)處增加圓弧形倒角，采用流暢的線條進一步加強橋梁的建筑美學效果，如圖7所示。

2.2 調(diào)整索力

斜拉索作為斜拉橋的重要景觀表達元素，在本次優(yōu)化設計中，未對斜拉索布置和數(shù)量進行調(diào)整。但是，根據(jù)橋梁實測結(jié)果，

圖 8鋼束立面布置圖（尺寸單位：cm）

圖7 橋墩、承臺增加截面圖（尺寸單位：cm）

3 有限元分析

采用有限元計算軟件[8]，對該橋進行了景觀改造后的有限元分析。根據(jù)施工階段、斜拉索錨固位置及橫隔板位置將全橋上部結(jié)構(gòu)分為78個單元, 墩底采用固結(jié)，梁端采用豎向約束，墩塔梁固結(jié)采用共節(jié)點,并考慮7200天的收縮徐變，有限元模型如圖10所示。

圖 10有限元模型

對斜拉索的索力進行了調(diào)整，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力[7]

2.3 增加預應力鋼束

圖 9鋼束橫斷面布置圖（尺寸單位：cm）

中跨跨中14m范圍內(nèi)每根主梁增加兩束Φ10-Φ15.2預應力鋼束，如圖8及圖9所示。這一措施在提高橋梁的力學性能的同時，并未對其景觀效果造成改變。

3.1 應力驗算結(jié)果

按上述條件建模并進行施工階段、使用階段對結(jié)構(gòu)進行驗算[9-10]。驗算結(jié)果表明，在景觀改造完成后，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)混凝土受拉的情況。同時，改造完成后，梁頂最大壓應力為10.6MPa，梁底最大壓應力為14.5MPa。與改造前相比，結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)有明顯的改善。

3.2 梁體抗彎承載能力計算結(jié)果

采用整體截面計算結(jié)構(gòu)抗彎承載能力，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）[3]第5.1.5條γ0S≤R 驗算。荷載效應均小于等于構(gòu)件承載力設計值，滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果如圖11所示。

圖 11正截面抗彎承載能力驗算結(jié)果

4 結(jié)論

在已有的很多橋梁改造設計工作中，更多的是把橋梁改造作為一個工程學問題加以處理。對于城市橋梁，由于景觀效應的需求，結(jié)合多學科視野，進行橋梁景觀改造設計日益受到橋梁工作者的重視。在本文的研究中，針對這一問題，對某既有城市混凝土斜拉橋的景觀風貌提升、病害處置及結(jié)構(gòu)性能的改善進行了統(tǒng)籌思考，工作可為今后城市橋梁的改造設計工作提供參考。

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