一座空間傾斜拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)

熊桂開，鐘 恒，胡 奇，譚雙全

（重慶市勘測院，重慶市400020）

0 引 言

將拉索承重橋中主梁和纜索的主要功能換位考慮，以梁體自身強(qiáng)度為主，拉索承重為輔，這就是索輔梁橋的理念[1]。這是一個新的設(shè)計(jì)理念，為橋梁設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)和美學(xué)方面都帶來了新的發(fā)展空間。21世紀(jì)以來，我國先后修建了多座頗具特色的索輔梁橋：位于福建省沙溪河上的臺江大橋，橋跨布置為（2×110）m，采用直立式拱形塔柱，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋塔承擔(dān)了約50%的永久荷載，造型優(yōu)美，成為當(dāng)?shù)匾蛔鶚O具中國韻味的標(biāo)志性橋梁；沈陽的三好橋，橋跨布置為（2×100）m，采用兩個斜拱橋塔，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋塔承擔(dān)了全部荷載的40%，其獨(dú)特的“花瓣”造型獲得業(yè)主與當(dāng)?shù)孛癖姷南矏踇1]。

本次設(shè)計(jì)橋梁位于嘉陵江東畔，處于中心城區(qū)的外沿線，是新區(qū)打造萬億級先進(jìn)制造業(yè)基地的重要組成部分，空間發(fā)展容量巨大。根據(jù)沿岸景觀概念規(guī)劃，橋梁位于“風(fēng)尚樂水”區(qū)，強(qiáng)調(diào)文化娛樂、濱江休閑、水上游覽的區(qū)域特色。該區(qū)域連接兩大核心區(qū)塊的自然水道，同時是河流生態(tài)廊道的重要節(jié)點(diǎn)，需要通過橋梁建設(shè)，豐富區(qū)域建筑景觀，且結(jié)合既有橋梁方案，打造適合場地的橋梁形式，實(shí)現(xiàn)“一橋一景”的獨(dú)特建筑景觀，突出橋梁親水、休憩、慢行等多種功能。

1 橋梁設(shè)計(jì)

1.1 地形地貌

擬建橋梁位于重慶兩江新區(qū)水土高新園，地處北碚區(qū)水土鎮(zhèn)，位于滬渝高速走廊以南、長江以北區(qū)域。擬建橋位區(qū)跨越馬元溪，最低點(diǎn)位于橋位中部馬元溪，地勢較平緩，地形坡度2°～8°，兩側(cè)岸坡往上地形變化大，地形坡度8°～32°，橋位區(qū)縱向上整體呈對稱的U字型，地形標(biāo)高259.48～291.65 m，相對高差32.17 m。橋位區(qū)中部大部分地段均為原始地貌，建場地地貌上總體屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌。

1.2 橋型布置

該橋梁距離水面高度僅20 m，橋址處風(fēng)景秀麗，環(huán)境優(yōu)美。若設(shè)計(jì)一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，在優(yōu)美的環(huán)境中看起來會太過單調(diào)；若設(shè)計(jì)為常規(guī)的斜拉橋，高聳的橋塔對周邊的景觀影響較大。因此，設(shè)計(jì)考慮把該橋橋塔降低到一個合適的高度，采用索輔梁橋的設(shè)計(jì)理念，讓斜拉索承受部分荷載。設(shè)計(jì)采用鋼混結(jié)合傾斜拱塔斜拉橋，獨(dú)特的拱塔造型以及扇型斜拉索的空間韻律感豐富整體景觀，使得橋梁氣勢感較強(qiáng)。橋梁全長132.0 m，橋跨布置為（35+50+35）m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置：0.75 m（拉索區(qū)）+3.0 m（人行道）+15 m(車行道）+3.0 m(人行道）+0.75 m（拉索區(qū)）=22.5 m。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱四室流線型等截面箱梁，全寬22.5 m，采用C50混凝土。橋梁整體布置見圖1，橋梁效果圖見圖2。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：m）

圖2 橋梁效果圖

1.3 上部結(jié)構(gòu)

主橋主梁采用單箱四室流線型C50預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。設(shè)計(jì)采用斜腹板有利于從視覺效果上減弱梁高影響，使橋梁結(jié)構(gòu)看起來更輕盈。箱梁總寬22.5 m，梁頂設(shè)置1.5%的橫坡，箱梁在中心線處梁高2.5 m。墩頂及橋塔塔座頂處各設(shè)置3 m等寬橫梁，以保證支座處集中力的傳遞。在拉索區(qū)每隔8 m與斜拉索對應(yīng)位置設(shè)置0.5 m等寬橫梁，并延伸至拉索錨固位置，與拉索錨塊形成一個傳力整體，主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖 3[2，3]。

圖3 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

1.4 橋塔及斜拉索

設(shè)計(jì)若整體采用混凝土塔柱，橋塔自重太大，對受力不利，也不利于施工，且混凝土結(jié)構(gòu)整體上顯得較為笨重，整體的美學(xué)效果不佳；若整體采用鋼結(jié)構(gòu)，雖造型較為輕盈，但整體造價較高，使得結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性降低。綜合考慮各項(xiàng)因素后，橋塔采用鋼-混結(jié)構(gòu)塔身，這樣既節(jié)省了造價，又美觀大方。主塔結(jié)構(gòu)型式分為兩部分，即下塔柱和上塔柱拉索區(qū)鋼拱塔柱段。從塔頂沿橋塔軸線方向向下35.09 m高度內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)，余下25 m部分采用混凝土結(jié)構(gòu)。主塔鋼塔柱與混凝土塔柱采用鋼混結(jié)合段的連接方式。鋼拱塔柱采用Q345D鋼材，板厚20～40 mm；主拱鋼箱在每個拉索位置設(shè)置一道箱外耳板及箱內(nèi)帶鑲邊的橫隔板，頂?shù)装寮案拱寰O(shè)置縱向加勁肋。拱塔正立面外觀呈類橢圓形，高為60.09 m，其中上塔柱(橋面標(biāo)高以上)高38.89 m，上塔柱與拱塔總高度比值為0.65/1，接近黃金分割比例0.618/1，能較好地引發(fā)人的美感。主塔縱向分A、B兩肢，拉索錨固于拱塔A肢，A、B兩肢依靠系梁連接。A、B兩肢均為箱型截面，其尺寸為1.2 m×2m。下塔柱自承臺頂向上25 m范圍內(nèi)與豎直方向呈14°傾斜，從結(jié)構(gòu)受力角度來說，有利于橋塔自身重力與斜拉索索力的平衡，從美學(xué)角度來說，橋塔微傾給人一種動態(tài)的美感。A、B兩肢側(cè)面為圓曲線，半徑分別為500.6 m及200.6 m。下塔柱塔底橫橋向?qū)?7.6 m，縱橋向?qū)?.0 m，自承臺以上25 m范圍內(nèi)，橋塔縱向尺寸采用圓曲線方式漸變至3 m，曲線半徑65.8 m。上塔柱每肢橫橋向?qū)挾葹? m，縱橋向?qū)挾扔上轮辽蠌? m漸變?yōu)?.6 m。拱塔一般構(gòu)造見圖4。

圖4 拱塔一般構(gòu)造圖

該橋斜拉索采用空間扇形布置，斜拉索在梁上錨固于箱梁兩側(cè)橫肋的邊緣位置。全橋共7對斜拉索，梁上的順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為8 m。斜拉索采用單端張拉，在拱塔外側(cè)上設(shè)置錨固耳板，作為斜拉索的錨固端；在梁上的斜拉索錨固位置處設(shè)置混凝土錨塊，并將拉索的張拉端設(shè)置于此。

1.5 鋼混結(jié)合段

拱塔結(jié)構(gòu)型式分為兩部分，即下塔柱和上塔柱拉索區(qū)鋼拱塔柱段。主塔鋼塔柱與混凝土塔柱采用鋼混結(jié)合的連接方式，為確保結(jié)構(gòu)安全，在結(jié)合段鋼板上設(shè)置PBL剪力鍵，直徑為8 cm，同時在受拉側(cè)則采用預(yù)加應(yīng)力的方式來保證鋼塔柱上內(nèi)力平順傳遞到混凝土塔柱上。鋼拱肋與混凝土拱腳之間的連接，根據(jù)受力要求，配置8束13s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其控制永久應(yīng)力為0.75fpk，保證鋼混接頭在各種內(nèi)力組合下全截面受壓。

1.6 裝飾結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步豐富橋梁景觀，設(shè)計(jì)在拱塔兩側(cè)設(shè)置鋼構(gòu)裝飾格柵，裝飾格柵整體為平置“人”字型，兩肢采用箱型截面，截面尺寸為1.0 m×1.0 m。上肢與主拱A肢焊接相連，下肢與拱塔下塔柱混凝土表面預(yù)埋件焊接，另一側(cè)端部支承在主梁外伸牛腿上。兩肢之間設(shè)置6條裝飾格柵，格柵采用矩形鋼管，其間距為1.985 m。

2 橋梁結(jié)構(gòu)受力分析

橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MidasCivil軟件，全橋共劃分為449個節(jié)點(diǎn)，441個單元。主梁用單主梁的“脊骨梁”模型離散，斜拉索在下錨點(diǎn)通過剛性連接與主梁連接，考慮拉索非線性。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際邊界條件，約束條件設(shè)置為：在塔底固結(jié)，主梁支座根據(jù)實(shí)際的支座布置位置進(jìn)行建模，主塔橫梁上的支座采用彈性連接進(jìn)行模擬，分別約束3個支座中的縱向、豎向、橫向位移，主梁其他支座約束豎向位移。總體有限元計(jì)算見圖5。

圖5 總體有限元計(jì)算圖

考慮自重、二期恒載、不均勻沉降、車輛荷載、人群荷載、溫度荷載、混凝土收縮徐變、風(fēng)荷載等荷載，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）進(jìn)行基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合及準(zhǔn)永久組合[4]。

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件驗(yàn)算。

根據(jù)規(guī)范分別對其抗彎、抗剪及抗扭承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如圖6～圖8所示。同時對施工階段正截面應(yīng)力、使用階段正截面抗裂、斜截面抗裂、使用階段正截面抗壓、斜截面抗壓、混凝土主梁撓度進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5]。其中，混凝土梁主跨在車道荷載（不包括沖擊力）作用下的主梁最大撓度為7.8 mm，小于《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01—2007）規(guī)定的 l/500=100 mm，滿足規(guī)范要求[6]。

圖6主梁正截面抗彎承載能力包絡(luò)圖

圖7 主梁斜截面抗剪承載能力包絡(luò)圖

圖8 主梁抗扭承載能力包絡(luò)圖

（2）主梁橫梁及拉索錨塊驗(yàn)算

分別對主梁端橫梁、中橫梁、橫隔板及主梁拉索錨塊進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和局部承壓承載力驗(yàn)算，均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）橋塔及斜拉索驗(yàn)算

分別對橋塔鋼結(jié)構(gòu)、橋塔鋼-混凝土結(jié)合段、鋼拱塔斜拉索耳板、鋼拱塔裝飾構(gòu)件及橋塔混凝土結(jié)構(gòu)、斜拉索進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求[6，7]。斜拉索應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見表1，鋼塔柱應(yīng)力驗(yàn)算見圖9。

表1 斜拉索計(jì)算應(yīng)力（σb=1860 MPa）

由計(jì)算可知，運(yùn)營狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求。

由圖9可知，橫系梁最大應(yīng)力為183 MPa，主拱圈最大應(yīng)力為139 MPa，均小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為245 MPa（考慮1.1重要性系數(shù)），滿足規(guī)定要求。

圖9 基本組合下鋼塔柱應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

3 結(jié)語

（1）該橋設(shè)計(jì)從橋梁美學(xué)角度出發(fā)綜合考慮了橋塔造型及高度、空間扇型索面、流線型斜腹板箱梁、局部增設(shè)鋼構(gòu)裝飾格柵等要素，設(shè)計(jì)了一座較為美觀的空間傾斜雙肢圓拱塔索輔梁斜拉橋，達(dá)到了造型景觀與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。

（2）結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果表明，該橋的應(yīng)力、變形、橋塔總體穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)性能良好。目前該橋正在建設(shè)中，作為河道沿岸生態(tài)廊道上的重要節(jié)點(diǎn)工程，景觀性好，地標(biāo)性功能突出，社會效益顯著。