珠海白石橋主塔設計關鍵點

◎ 李偉 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司

1.工程概況

珠海白石橋是連接珠海前山河兩岸的城市橋梁，主橋為結合梁自錨式懸索橋（見圖1）。主橋孔跨布置為（30+60+150+60+30）m=330m，橋面寬25.5m。兩根主纜均為平面索面，橫向中心距28.5m，矢跨比為1/5.5。

懸索橋主塔是景觀的主要載體，是懸索橋的主要受力結構，以承壓為主。針對如何使主塔承載當地的景觀元素，以及受壓為主的主塔其穩定性是否滿足要求，如何使主塔塔頂與主纜的連接清晰便捷，本橋主塔設計創造性地提出了新的解決方案。

2.景觀設計

通過對周邊的自然景觀、人文景觀進行詳細的調查篩選，遴選了“珠海漁女”、“拱北海關”、“大三巴牌坊”等作為重點研究對象。其中的“大三巴牌坊”歷史悠久，是澳門八景之一。牌坊建筑是糅合歐洲文藝復興時期建筑風格與東方建筑風格而成，體現出東西藝術的交融，雕刻精細，巍峨壯觀。因此最終確定借鑒特色顯著的“大三巴牌坊”進行景觀方案創作。從牌坊中提取尖頂、拱門、束柱等歐洲哥特式建筑風格的元素進行抽象、加工（見圖1），構思主塔造型設計。

3.穩定問題解決辦法

3.1 常用分析方法

由于懸索橋主纜是通過主塔提供支撐，主塔必須承受主纜傳下來的強大軸向壓力，因此主塔的穩定是一個比較突出的問題。該項目采用接近主塔實際情況，直觀明了、概念清晰的簡化力學分析方法，無論是對有限元分析結果的檢驗還是對設計方案進行簡單的估算都是十分必要的。

3.2 彈性約束壓桿方法

懸索橋主塔塔頂是與主纜聯系在一起的，主纜在重力作用下產生的剛度會對塔頂形成彈性約束。因此主塔順橋向應是下端固定、上端彈性約束的壓桿，如圖2所示。

彈性約束壓桿模型的B端為彈性支座，彈簧的剛度系數為K K=彈，該壓桿的失穩狀態如圖2右側所示。

表1 白石橋主塔穩定檢算情況

塔柱自身剛度可根據結構尺寸算得。塔頂主纜提供的彈性約束剛度，可通過先求出全橋模型塔頂總剛度，再扣除主塔抗推剛度貢獻來求得。

3.3 穩定分析結果

如表1所示為白石橋主塔穩定檢算情況。

表1中結果表明上述方法與有限元數值法結果吻合較好，略偏安全，說明其合理可行；本橋主塔穩定滿足規范穩定系數＞4的要求。在本橋主塔結構設計過程中，利用該方法中清晰直觀的力學概念直接指導了設計方向，快速穩定了主塔結構尺寸，提高了效率。除懸索橋主塔外，該方法同樣適用于斜拉橋、橋墩等邊界條件模糊的受壓結構。

4.塔頂鞍座聯結處理

懸索橋主塔頂端需要設置鞍罩保護纜索系統的重要傳力構件索鞍。本橋索鞍索槽順橋長3.65m，考慮附屬設施布置空間及養護人員的活動空間，鞍罩內凈空設計為4.6m。上塔柱標準截面為2.8m見方的實心矩形截面，塔頂結構根據鞍罩構造要求結合景觀方案設計為漸變的柱墩，塔頂平面為邊長5.4m的矩形。

傳統做法，塔頂高度根據主纜位置確定，需滿足主纜構造及變形要求避免與主纜沖突，然后在塔頂上直接設置索鞍與鞍罩。按此方法設計的索鞍，鞍體高2519mm，重35.9t。對于這個體量的鑄件，工廠鑄造、發貨運輸會有一定困難，在現場安裝時，這個重量將決定塔吊等起重設備規格的選用，為此而選用大規格會造成設備的閑置浪費。

鑒于上述情況，本橋主塔設計時，有針對性地進行了優化、創新。先根據上述方法確定安放鞍罩的塔頂高程，然后在其上設置能滿足索鞍安裝及傳力需要的墊石，同樣墊石亦需滿足主纜構造及變形要求避免與主纜沖突，再在墊石上設置索鞍。按此新方法設計的索鞍，鞍體高1819mm，重17.6t。與傳統方法的索鞍相比體量更小，降低了制造、運輸、安裝的難度。

塔頂鞍座墊石的設置，充分利用空間降低了索鞍體量。鞍體重量降低了51%，直接節約了工程造價；同時降低了索鞍工廠制造、發貨運輸、現場安裝等環節的難度。此方法與傳統方法相比優點突出，對于懸索橋塔頂與索鞍連接設計具有普適性。

5.主塔設計要點

主塔為哥特式（英倫風）框架結構。主塔全高62.26m，塔柱橫向中心間距為28.5m，橫向凈距25.56m。塔柱之間設置上、下兩道橫梁及裝飾拱圈，上塔柱外表面四角設有景觀裝飾圓柱及塔頂鞍罩。下塔柱為實心圓端形截面，上塔柱為實心矩形并在四角設裝飾圓弧截面，上、下橫梁為箱型截面，裝飾拱圈為實心矩形截面。其中，下橫梁為預應力混凝土結構，塔頂鞍罩為鋼結構，其余部分為普通鋼筋混凝土結構。

下塔柱高11.2m，采用實心圓端形截面，橫橋向寬4.1～4.5m，順橋向寬3m；上塔柱高28.9m，橫橋向等寬2.8m、順橋向等寬2.8m，采用實心矩形截面，并在四角設裝飾圓弧；塔頂裝飾鞍罩高15.8m，為密閉的鋼結構；下橫梁高3m，寬2.8m，壁厚60cm，采用單箱單室截面；上橫梁高3m，寬2.8m，壁厚40cm，采用單箱單室截面，兩側設有裝飾槽。

6.結束語

綜上所述，珠海白石橋主塔在設計階段對景觀、穩定、構造細節等關鍵問題的研究，貫徹了結構安全耐久、造型新穎美觀、方案經濟合理的原則。主塔于2017年1月施工完畢，施工過程中經受了臺風的考驗，充分體現了結構的安全性。2017年7月底，大橋順利建成通車，全橋動、靜載試驗及通車情況均表明，主塔狀況良好。大橋高顏值、英倫風的造型，深受珠海廣大市民的喜愛。主塔作為自錨式懸索橋的主要構件，對其景觀設計、穩定性、關鍵部位設計進行深入的分析和研究具有重要意義。