肇慶新區現代城市景觀橋及拉索的選型

陳昱鵬，鐘 屹，覃巍巍，梁 冰

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

1 橋型方案

橋梁作為物質文明與精神文明的載體，對城市具有顯著的地標作用。城市橋梁的美是環境美的一部分，以橋梁和橋位周邊環境為“景觀主體”或“景觀載體”而創造的景觀（廣義上的），通過橋梁景觀CI（corporate identity）整體表現體系（尤其是視覺識別系統和理念識別系統），傳達橋梁美、橋文化、橋精神，使觀者在橋及橋域的“景”與“觀”的互動過程中，對橋及橋所處區域的人文、自然、社會環境等產生一致的認知感和價值感，達到人、橋、環境的和諧統一[1]。著名橋梁專家茅以升說：橋梁是“形成中國文化史上的里程碑”的特殊建筑，這說明橋梁包含了物質和精神兩大功能[2]，使橋梁景觀往往成為城市文化的聚焦及城市形象的窗口。

不同的橋型有其自身的美學特點和價值，給人不同的美學感受。如何認識和把握這種美，是橋型設計的基礎[3]。下面對國內幾種主要橋型特點簡要說明。

預應力混凝土連續梁橋，上部結構由連續跨過3個以上支座的梁作為主要承重結構，造型樸實，投資造價便宜。

拱橋，是在豎直平面內以拱作為結構主要承重構件的橋梁。拱橋是向上凸起的曲面，其最大主應力沿拱橋曲面作用，沿拱橋垂直方向的最小主應力為零。拱橋是我國傳統特色的一種橋型，造型優美，整體造價適中。

斜拉橋,是將橋面用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔，受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系，其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續梁。拉索按斜向直線布置，以簡單的直線形狀構成強勁、挺拔的動勢，形態和造型的多種多樣是斜拉橋顯著的特征[3]。斜拉橋既是人們所看到的一種由構件組成的力學結構，同時又是具有信號作用和多種象征含義的一種標記[4]。斜拉橋整體造價適中。

懸索橋，是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索作為上部結構主要承重構件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。懸索橋橫越長空，規模壯觀，輕柔空透，美學效應豐富，高揚的索塔，充滿張力的纜索，使橋梁洋溢著大氣、輕靈的美[3]。懸索橋雖然宏偉，但是造價最貴。

在連續梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋4種主要橋梁中，懸索橋其主要適合用于大跨度型的橋梁結構，造價很高，如城市內無跨江跨海大跨度需求，從經濟上考慮一般不建議采用。因此本項目從最經濟的連續梁橋、拱橋和斜拉橋中考慮。

肇慶是國家歷史文化名城，文化底蘊深厚，嶺南氣息濃郁，乃嶺南文化的發祥地之一。同時，肇慶也是中國優秀旅游城市、國家園林城市、國家衛生城市、國家環境保護模范城市。新區環路跨長利涌大橋位于肇慶新區的門戶位置，并處于新區核心區，橋梁景觀要求較高[5]。設計結合拱橋和斜拉索的造型特點，推薦方案設計為拱形橋塔不等跨獨塔斜拉橋，方案二為預應力混凝土連續梁橋。

1.1 推薦方案—獨塔斜拉橋[5]

大橋作為新區的重要門戶地標構筑，以門拱的形態為靈感進行設計。整體造型現代、簡潔、大氣，與自然生態的河道景觀形成交相輝映、相互襯托關系。并且，主跨的橋腹與橋塔設計成一體化的造型，以水平方向向中間延伸，并向天際展開，象征著肇慶核心區的承古爍今，繼承與發展。新區門拱的設計不但彰顯了肇慶地方經濟飛速發展的勢頭，更加展現出了肇慶人民對家鄉的強烈自豪感。

方案結構設計為密索體系雙索面獨塔斜拉橋，橋梁跨徑布置為100 m+60 m=160 m。根據道路橫斷面布置，該橋為單幅布置，標準段橋面全寬44 m，主橋面積7 040 m2（見圖1）。

圖1 雙索面獨塔斜拉橋效果圖

1.2 比較方案——預應力混凝土連續梁橋[5]

預應力混凝土連續梁橋以其簡潔的線形、明確的受力模式、成熟的施工工藝，以及較低的經濟指標成為工程界廣泛應用的橋型之一。本次設計對常規預應力混凝土連續梁橋進行景觀優化設計，提出整體造型優美，局部細節有特點的橋型方案。該方案結構設計為大跨度變截面預應力混凝土連續梁結構，橋跨布置為 48 m+64 m+48 m=160 m。根據道路橫斷面布置，該橋分為左右兩幅布置，橋面全寬41 m，主橋面積6 560 m2（見圖2）。

圖2 預應力混凝土連續梁橋效果圖

1.3 橋型方案造價

橋梁建設不能只關注設計方案的造型特點，還需考慮經濟性，因此需從景觀、河道影響、后期維護、通車運營受力等多維度考慮。斜拉橋同預應力混凝土連續梁橋方案對比見表1。

表1 方案比較表[5]

相對于連續梁橋而言，該項目獨塔斜拉橋方案雖然其造價比較高，但其受力效果好，對河道影響很小，不影響通航，橋梁整體造型好。拱形的橋塔與新區環路位于肇慶新區門戶位置，橋梁整體景觀效果與濕地公園的園區設計主題相協調，能夠成為園區的核心建筑物[5]，故在能承受的經濟范圍內，推薦采用獨塔斜拉橋方案。

2 斜拉索方案選擇

作為斜拉橋的主要承載構件，斜拉索一直是斜拉橋修建者關注的焦點之一。目前斜拉橋拉索最常用索體結構采用鋼絲拉索和鋼絞線拉索兩種。兩種結構的拉索從防腐性能方面進行比較后進行選擇。

2.1 鋼絲拉索

鋼絲拉索由直徑為7 mm的鍍鋅鋼絲，在縱向以4°的螺旋角扭絞而成，鋼絲外纏包高強纖維帶，然后外面熱擠HDPE，在工廠預制成成品索。其結構示意見圖3。

2.2 鋼絞線拉索

鋼絞線拉索自由段由7絲鋼絞線組合而成，外包HDPE護套管。單根鋼絞線鍍鋅或噴涂環氧后外包PE護套，進行單根獨立防腐。其結構示意見圖4。

圖3 鋼絲拉索橫截面圖

圖4 平行鋼絞線索的自由段和獨立防腐鋼絞線的詳細構造圖

2.3 防腐性能對比

（1）鋼絞線拉索防腐層為4層（鍍鋅層或環氧層+防腐油脂或石蠟+單根絞線HDPE護套+整束鋼絞線無黏結筋HDPE外護套），平行鋼絲拉索防腐層只有2層（鍍鋅層或環氧層+雙層HDPE外護套）。根據國際后張協會FIB和CIP要求，至少3層防腐層（鍍鋅層或環氧層+防腐油脂或石蠟+HDPE護套）方能保證百年壽命。

（2）鋼絲拉索HDPE外護套易開裂。平行鋼絲拉索索體HDPE外護套附著于索體上而參與了拉索受力變形，索體HDPE外護套始終處于有應力狀態下工作,初始應力達到3～5 MPa，絕大多數工況還存在交變拉應力，索體HDPE普遍提前產生應力作用破壞而開裂。鋼絞線拉索HDPE外護套與無黏結絞線之間是中空的，HDPE外護套不參與結構受力，HDPE外護套拉應力很低，幾乎可以忽略不計，HDPE外護套不會產生應力開裂，壽命大大增強。在使用壽命上，平行鋼絲拉索預計為30 a，但不少斜拉橋10 a不到已換索，病害多；鋼絞線斜拉素預計壽命為50 a，到目前為止，出現病害造成換索暫無先例。從以上對比可以看出，鋼絞線拉索具有較大的優勢[4]。

（3）任何索體在實際工程或使用中，盡管采取多種措施，索體HDPE外護套還是不可避免會存在破損、開裂現象（人為或自然老化），平行鋼絲斜拉索索體HDPE外護套一旦破損進水，索體中鋼絲總會受到腐蝕。一處破損，全部鋼絲都會受到銹蝕感染的疽蝕效應，迅速降低整根拉索的安全使用性能，導致提前換索。鋼絞線斜拉索的索體是單根無粘結防護處理，即使索體HDPE外護套損壞，但HDPE外護套內的鋼絞線無黏結筋仍能有效地保護鋼絞線，甚至某些無粘結筋鋼絞線受損的情況下，由于是單根絞線無黏結獨立防腐，也不會影響同束中的其他無黏結鋼絞線，故不影響鋼絞線斜拉索的安全性能。

（4）由于鋼絲與鋼絲之間存在縫隙，平行鋼絲斜拉索由于毛細作用容易導致鋼絲受到腐蝕，尤其是在橋面積水、錨固端防水不嚴的情況下，平行鋼絲斜拉索內極易因毛細現象進水，索體防護性能差，耐久性不高，導致提前換索。鋼絞線拉索由于索體鋼絞線是無黏結防護，無黏結筋內的防腐油脂充滿了鋼絞線各根鋼絲間的間隙，索體將不會產生毛細現象，大大延長了索體壽命。

（5）平行鋼絲拉索HDPE外護套破損修復困難。平行鋼絲拉索外護套一旦破損，很難修補。修補一般是焊接修補或纏包修復。焊接修復時間一長，焊接處由于應力集中將重新開裂；纏包修復時間一長，也將失效，鍍鋅鋼絲索體安全性能嚴重降低，導致提前換索。鋼絞線拉索HDPE外護套破損，很容易更換，只要將HDPE外護套去除，另外安裝哈弗外護套（即“half sheel”，意為分瓣式套管，兩瓣可扣緊式），內部無黏結鋼絞線索體不受任何影響。

（6）后期維護。在傳統的斜拉橋設計、施工、使用過程中，盡管設計、施工、使用者對斜拉橋的關鍵部位，如斜拉索，采取了各種防腐、減隔振措施，但由于方法、工藝、材料、構造細節等不合理，使得斜拉索腐蝕退化和振動疲勞衰減已經成為制約斜拉橋使用壽命的關鍵因素。如著名的Maracaibo橋及K0hlbrandEstuary橋：前者在使用16 a時換索，耗資5 000萬美元，換索工期達2 a；后者在運營3 a就更換全部拉索，耗資600萬美元，為原造價的4倍。國內的廣州海印大橋為中孔175 m的3跨雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋，1988年12月建成通車，拉索由258根?5mm鍍鋅鋼絲組成，PE套管防護，其間壓注了水泥漿，套管外再纏包環氧樹脂，采用玻璃鋼外殼層，由于防護出現問題，1995年5月出現拉索斷落和松馳，之后，對186根拉索全部更換，換索耗資2 000萬元，工期半年[6]。從這些數據可以看出，采用不同的拉索體系，必然帶來不同的養護維修費用，從而使生命周期造價有較大的不同。根據平行鋼絲拉索及鋼絞線拉索的預計設計生命周期，以全橋100 a的設計周期，平行鋼絲拉索體系需換索2～3次，而鋼絞線拉索僅需一次，采用鋼絞線拉索可大大降低斜拉橋的生命周期造價[7]。

根據以上比較，鋼絞線拉索整體比鋼絲拉索性能更優異，故在斜拉橋的設計中應根據實際情況，盡量選擇鋼絞線拉索體系。該項目最終設計方案采用鋼絞線拉索。

3 主橋結構計算[5]

3.1 計算模型

采用MIDAS橋梁結構空間分析軟件對全橋結構進行數值仿真分析，主塔采用空間梁單元進行模擬計算，主梁采用梁格法等效為梁單元進行模擬計算，拉索采用桁架單元進行模擬分析。邊界條件為下部結構采用樁-土彈簧等效模擬，在主梁的兩端按簡支梁支撐型式進行模擬分析（見圖5）。

圖5 主橋計算模型圖

3.2 計算荷載

3.2.1 材料

混凝土橋塔、混凝土主梁采用C50混凝土。

鋼梁（包括鋼橋塔、鋼主梁、次縱梁、拉索橫梁和次橫梁）采用Q345鋼材，拉索采用標準強度為1 860 MPa的預應力鋼絞線拉索。

下部結構承臺采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。

3.2.2 計算荷載

（1）自重

混凝土容重取26kN/m3，鋼材容重取78.5 kN/m3。

（2）二期恒載

橋面鋪裝：0.1×24+0.1×26=5 kN/m2。

中央分隔帶護欄及機動車道與非機動車道之間防撞護欄：5 kN/m。

人行道內側護欄：2 kN/m；人行道外側欄桿：3.5 kN/m2。

過橋水管：18.8 kN/m；電纜及支架：11.2 kN/m。

（3）溫度

結構整體升溫20℃，整體降溫25℃，考慮索、梁溫差±10℃，考慮混凝土主塔日照溫差±5℃，混凝土主梁日照升溫5℃，降溫5℃。

（4）支座沉降

考慮下部結構兩側邊墩及中墩沉降1 cm。

（5）活載

汽車活荷載按城A車道荷載，雙向8車道，計算得偏載系數1.1，按《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）計車道折減系數和沖擊系數，人群荷載按2.7 kN/m2計入。

（6）收縮徐變

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）考慮。

（7）風荷載

按廣州地區百年重現期風速31.3 m/s，C類地貌計算。

圖6 成橋索力分布圖（單位：kN）

3.3 合理成橋狀態

在成橋狀態下，主跨拉索索力為3397～4409kN，邊跨索力為3 348～3 788 kN，拉索采用強度為1 860 MPa的鋼絞線拉索，規格250-43和250-55，公稱破斷索力分別為11 197 kN和14 322 kN。考慮活荷載及其他可變荷載作用，在1+1標準組合下最大索力為4 687 kN，拉索最小安全系數滿足拉索安全系數2.8，滿足規范中拉索最小安全系數大于2.5的要求。拉索索力值見表2。

根據上述計算結果可以看到，拉索在正常使用荷載作用下構件受力均滿足規范要求，結構受力狀態良好。

4 結語

隨著國家加快推進城市化進程，加大城市建設力度，現在越來越多的城市開始建設新開發區，往往把橋梁作為新區的重要門戶地標構筑，這樣對其景觀要求提出了更高的要求。本文通過肇慶新區環路跨長利涌大橋選型介紹，可以看到斜拉索受力好，對通航影響小，具有震撼的視覺效果，可以變換設計出許多特異造型，景觀效果好，非常符合現代城市建設要求。特別是鋼絞線斜拉索，其又具有耐腐性高的特點，所以在現代化城市建設中橋梁選型可以優先考慮采用鋼絞線斜拉索。

表2 斜拉索計算內力匯總kN