空間索景觀斜拉橋在城市橋梁設計中的運用

周康靜

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南250101）

1 概述

近年來，隨著我國城鎮化進程的快速發展及人民物質文化水平的日益提高，城市橋梁設計已不再是簡單地滿足交通功能的需求，對美學及藝術的要求也“水漲船高”[1]。在橋梁設計之初，其概念性規劃設計方案在秉承結構安全、功能適用的大原則下，其美學設計理念日益突出。本文以山東省萊蕪市龍馬河大橋的設計為例，就其概念性設計方案進行比較，并對橋梁結構及空間斜拉索塔柱及拉索進行分析論述，提出其景觀效果及受力特點。

2 工程概況及方案選擇

2.1 工程概況及技術指標

萊蕪市香港東路道路工程西起龍馬河西路，東至長芍路，長1161.83，道路寬40 m。為避開該地區垂陽鐵礦廠及其塌陷影響區域，路線方案采用以規劃路線向北偏移方案。擬建龍馬河大橋位于香港東路跨越龍馬河處，橋梁跨度按規劃河道寬度設計，如圖1所示。擬建橋梁寬度按香港東路道路斷面形成，橋梁全長204.86 m，全寬41 m，共分兩幅，其中機非混行車行道寬34 m，兩邊人行道共寬6 m，兩側各0.5 m的錨索區。

技術指標：道路等級為城市主干路，設計行車速度60 km/h；橋梁結構設計基準期為100 a。橋梁結構設計安全等級為一級，結構重要性系數取1.1；橋梁設計汽車荷載為城-A級，設計人群荷載為3.5 kPa；橋梁兩側引道縱坡為1.889%，豎曲線為半徑R=5 000 m的圓曲線。橋面機非混行車道橫坡1.5%，人行道橫坡1.5%。河道防洪標準采用采用百年一遇的設計洪水頻率，設計洪水位為198.9 m，橋下景觀水位198.24 m；地震抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，第二組，場地的特征周期值為0.65 s。橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防措施等級為8度。

圖1 橋梁位置示意圖

2.2 結構方案選擇

橋梁所在道路位于龍馬河主題公園附近，橋梁及河道都有一定的景觀要求。為了達到功能及與周邊主題公園景觀融合的需求，初步擬定兩個方案。第一個方案為雙塔斜拉索方案，如圖2所示，第二個為單塔柱空間斜拉索方案，如圖3所示。

圖2 方案一橋梁立面

圖3 方案二橋梁立面

由表1可知，這兩個方案均能實現主梁上的景觀要求，但是由于空間塔柱及索面形式的選擇不一，實現的景觀效果也不一樣。方案一塔柱為單塔，塔高48 m，方案二塔柱為單塔，塔高30 m，相比之下方案一將塔柱合二為一變成空間塔柱，與周邊景觀融合度更高。

表1 方案比較表

3 橋梁設計

3.1 立面設計

橋梁采用鋼筋混凝土連續箱梁，全長204.86 m，共分為三聯，每聯跨徑為3×22 m，橋面全寬41 m，共分兩幅。每幅橋面寬20.49 m。橋梁裝飾塔柱采用鋼結構塔柱，立面為單塔“A”字造型，塔高48 m，塔柱設置于第二聯中跨橋墩處，橋塔與主梁相互獨立。橋梁下部結構橋墩采用V型實體橋墩、樁基礎，橋臺采用樁接蓋梁橋臺，如圖4所示。

圖4 橋梁立面圖（單位：cm）

3.2 平面設計

橋梁平面位于直線段，拉索及橋塔沿橋跨中心線對稱布置，如圖5所示。

圖5 橋梁平面（單位：cm）

3.3 橋梁橫斷面設計

香港道路寬40 m，分別為3 m人行道+34 m機非混行車道+3 m人行道。龍馬河橋梁全寬41 m，共分兩幅，其中機非混行車行道寬34 m，兩邊人行道各寬3 m，兩側分別設置0.5 m寬的錨索區。機非混行車道及人行道橫坡均為1.5%.

機非混行車道上面層采用4 cm厚細粒式瀝青混凝土AC-13；下面層采用6 cm厚中粒式瀝青混凝土AC-16。人行道鋪設3 cm厚大理石火燒板，如圖6所示。

圖6 橋墩處橋梁橫斷面（單位：cm）

3.4 上部結構設計

上部結構箱梁采用鋼筋混凝土連續箱梁，跨徑為3×22 m。箱梁截面高1.4 m，寬2 049 cm，頂板厚25 cm，底板厚23 cm，邊腹板厚45 cm，中腹板厚42 cm，箱梁懸臂板端部厚20 cm，以圓弧形式過渡至梁底。箱梁中橫梁寬2 m，端橫梁寬1.5 m，如圖7所示。

3.5 下部結構設計

橋墩采用鋼筋混凝土“V”字形實體橋墩，橋墩正面做10 cm輪廓內凹，連續墩縱橋向厚1.0 m，橋墩承臺高1.5 m，橋墩樁基直徑1.2 m。過渡墩厚由1 m擴大至1.6 m；橋臺采用樁接蓋梁橋臺，蓋梁高1.2 m，寬1.6 m，樁基直徑為1.2 m，如圖8所示。

圖7 主梁構造（單位：cm）

圖8 下部結構構造（單位：cm）

3.6 塔柱設計

如圖9所示，塔柱結構采用鋼箱結構，塔柱橫橋向中心線為橢圓弧，截面采用鋼箱截面，截面尺寸由1.0 m×1.5 m過渡至1.0 m×1.0 m，鋼板厚度由16 mm變至10 mm。塔柱橫向連接梁截面為2.0 m×1.0 m，V型撐截面1.0 m×1.0 m。塔柱基礎采用群樁基礎。

圖9 塔柱構造（單位：cm）

3.7 拉索設計

全橋共設置18對拉索，拉索錨固于主梁及塔柱上，索體結構采用OVMRM5-19（Ⅴ）型熱鑄錨吊桿結構，拉索PRE5-19，錨具規格OVMRM5-19，破斷荷載為623kN，安裝拉力為49.8kN，如圖10所示。

3.8 阻尼裝置設計

拉索阻尼裝置采用永磁調節式磁流變阻尼器，對外側較長3根索采用HFMR1擋，內側較短索采用0擋調節，如圖11所示。

圖10 拉索構造

圖11 阻尼裝置構造（單位：mm）

4 結構分析

結構計算采用橋梁博士V3.3及MIDAS Civil 2012進行主梁及塔柱分析。

4.1 主梁分析

（1）承載力驗算：荷載組合按CJJ—2011城市橋梁設計規范[2]進行，材料采用其強度設計值。計算時考慮沖擊系數和結構重要性系數，如圖12和13所示，承載能力極限狀態驗算滿足要求。

圖12 最大抗力及最大彎矩圖（單位：kN·m）

圖13 最小抗力及最小彎矩圖（單位：kN·m）

（2）正常使用極限狀態下的裂縫寬度驗算：按作用（或荷載）短期效應組合并考慮長期效應影響進行驗算，如圖14所示，計算的最大裂縫寬度不應超過0.2 mm。

圖14 短期效應組合裂縫寬度（單位：mm）

4.2 塔索分析

橋塔塔柱采用鋼結構，塔柱截面1.0 m×1.0 m過渡至1.0 m×1.5 m，塔柱橫向連接梁截面為2.0 m×1.0 m，V型撐截面1.0 m×1.0 m。拉索結構采用OVMRM5-19（Ⅴ）型，索體采用 PES5-19型，安裝拉力為49.8 kN。計算結果如圖15～18所示。

圖15 塔柱一階振型（Hz=0.874）

圖16 塔柱二階振型（Hz=1.377）

圖17 包絡組合下應力圖（單位：MPa）

圖18 正面風荷載下位移

（1）振型分析

（2）應力分析

組合下最大應力67 MPa＜310 MPa。

（3）位移分析

由上圖，正面風荷載下最大1.5 cm

（4）穩定分析

取下塔柱進行驗算N/ψA=21 MPa＜310 MPa，穩定性滿足要求。

5 設計特點

5.1 整體設計

如圖19所示，龍馬河大橋主橋為連續箱梁橋，上部采用斜拉橋型式進行裝飾，塔柱設置于第二聯中跨墩柱處，與墩柱形成有機結合，營造出橋梁宏偉大氣的整體特點。

圖19 橋梁實景鳥瞰

5.2 塔柱設計

塔柱為空間鋼箱結構，塔高48 m，立面為單塔“A”字型，橫橋向為半橢圓弧，與橫撐構成寓意“希望之眼”的造型，立面、橫斷面造型宏偉。拉索采用豎琴式空間拉索體系，造型優美大氣，如圖20和21所示。

圖20 橋梁塔柱立面

圖21 橋梁塔柱橫斷面

5.3 減震體系

拉索阻尼裝置采用永磁調節式磁流變阻尼器，如圖22所示，無需供電，不受場地及外部條件制約，可根據減震實際需要設置不同的阻尼力檔位，實現不同索長分檔調節，減小低應力索的風雨振效應。

圖22 橋梁阻尼裝置

5.4 避雷及航空警示系統

避雷系統及航空警示體系：避雷系統（避雷針—塔柱—基礎—承臺—樁基形成通路），避雷保護半徑不小于105 m，保證行人、車輛安全。同時設置航空警示系統，保證航行安全，如圖23所示。

圖23 避雷及航空警示系統

5.5 人文與環境特點

橋梁所在位置穿越龍馬河主題公園，橋融于景，景更襯橋。河東岸以“龍”為主題，西岸以“鳳”為主題，橋梁設計與龍鳳主題呼應，和諧自然、相得益彰。橋梁的建成為該主題公園的標志性建筑之一，如圖24所示。

圖24 橋梁景觀融合

6 結語

對于有景觀要求的橋梁設計，在充分分析周邊環境的基礎之上，利用橋梁結構形式與環境做到相互融合、相互滲透是我們橋梁設計追求的目標。本文通過對龍馬河大橋的概念性方案對比及橋梁結構設計與分析，為同類橋梁的塔柱及拉索設計、景觀概念設計提供了一定的參考價值。