自錨式懸索-斜拉協(xié)作體系設(shè)計與景觀

任宏業(yè)，任國紅，王青橋

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市200092）

0 引言

近年來，城市橋梁景觀要求日益提高，自錨式懸索橋作為城市景觀效果較好的一種橋型得到了大力發(fā)展。自錨式懸索橋有著其他橋型不可比擬的優(yōu)點，如：避免了傳統(tǒng)地錨式懸索橋的缺點，不需要修建大體積錨錠，對橋位處地質(zhì)條件要求寬松；保留了傳統(tǒng)懸索橋的外形，在主跨100～200 m跨徑范圍內(nèi)的城市橋梁方案比選中具有較強(qiáng)的競爭力。但是，如何在現(xiàn)有常規(guī)自錨式懸索橋基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，改良橋型景觀效果是下一步橋梁景觀師努力的方向之一。

現(xiàn)階段的自錨式懸索橋主梁大多采用混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)自錨式懸索橋的受力特點，成橋后的主梁將承受著巨大的壓力，選用混凝土結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮其抗壓優(yōu)勢，且后期養(yǎng)護(hù)費用較低。但是，由于橋型結(jié)構(gòu)本身的受力特點，選用混凝土主梁同樣也產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力上的弊端，如：加勁梁因收縮、徐變效應(yīng)縮短而導(dǎo)致邊跨主纜松弛；索塔受到主纜不平衡水平力因收縮、徐變?nèi)找嬖黾?；加勁梁中跨下?lián)系?。因此，如何減小因自錨式懸索橋橋型特點而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)受力弊端也是我們不斷探索的方向。

本文以某項目工程作為依托，對跨越城市河道的景觀橋梁進(jìn)行方案設(shè)計，選用自錨式懸索橋作為結(jié)構(gòu)受力基礎(chǔ)，從景觀和受力角度進(jìn)行一系列的改進(jìn)，使之景觀效果獨特，受力合理。

1 橋型景觀方案

1.1 方案要求

根據(jù)招標(biāo)文件要求，該橋型景觀方案必須具備以下幾個方面：

（1）橋型景觀方案必須具備超前現(xiàn)代、和諧自然、獨一無二的理念，且可以融合當(dāng)?shù)氐纳剿坝^及地域文化。

（2）結(jié)合橋位地形、地質(zhì)、通航、防洪等要求及下穿橫向道路，選擇合理的橋跨組合，且橋梁本身必須具有多視角的可觀賞性。

（3）避免常水位下水中設(shè)墩，以免破壞城市河道整體自然景觀。

設(shè)計橋位處河床寬度約300 m，其中東側(cè)約160 m為水面，西側(cè)約140 m為漫灘，東岸已建成駁岸，西岸為自然堤岸。方案構(gòu)思前期，通過對現(xiàn)有自錨式懸索橋、斜拉橋、拱橋橋型仔細(xì)研究，充分吸收各類橋型的特點，方案設(shè)計中將3種橋型特點巧妙融合，提出自錨式懸索—斜拉協(xié)作體系受力結(jié)構(gòu)。該方案的新穎設(shè)計獲得了領(lǐng)導(dǎo)及專家組的一致認(rèn)可，投標(biāo)獲得方案設(shè)計第一名，橋梁景觀效果圖如圖1所示。

方案塔柱橫橋向采用“拱”形結(jié)構(gòu)，吸取了中國傳統(tǒng)拱橋柔美的元素，塔柱一高一低，高塔象征太陽，低塔象征月亮，體現(xiàn)出“日月爭輝”般的詩情畫意；中跨纜索、吊桿是取自懸索橋元素，主纜高低起伏，曲線優(yōu)美，從橋面跨越長空，輕盈流暢，結(jié)構(gòu)造型生動；邊跨采用斜拉索，稀疏緊繃的斜拉索邊跨扇形散開，體現(xiàn)出剛性的張力。從景觀效果上講，建造這樣一座橋是需要將各種橋型元素協(xié)調(diào)地融于一體，剛?cè)岵?jì)，“橫看成嶺側(cè)成峰”，無論建在何處都將成為一座城市的地標(biāo)性建筑。

1.2 主橋橋跨布置

根據(jù)橋位處的地理特點，主橋的橋跨布置考慮了如下幾個因素：

（1）通航要求：內(nèi)河VI級航道，通航凈高4.5 m，凈寬40 m。

（2）常水位下河面寬度160 m，洪水位時河面寬度300 m。綜合考慮景觀因素，除少數(shù)洪水期月份外，全年大部分時間中跨基本覆蓋主河道，避免常水位水中設(shè)墩，即一跨過河。

（3）在滿足功能、景觀的要求下，施工方便、經(jīng)濟(jì)。

綜合以上因素，鎖定橋梁主跨跨徑160～180 m之間。

1.3 塔高確定

工程建筑的和諧美就是尋求比例與尺度的協(xié)調(diào)，對于橋梁建筑這種單維突出的結(jié)構(gòu)，比例的協(xié)調(diào)就顯得尤為重要。一座橋梁，各部分比例只有達(dá)到勻稱和諧時才能構(gòu)成優(yōu)美的形象，因此在保證結(jié)構(gòu)受力合理的前提下，塔高設(shè)計參考橋梁美學(xué)理論，從以下幾個方面確定：

（1）滿足受力需要，鎖定主跨纜索矢跨比為1/4。

（2）常規(guī)懸索橋塔高（橋面以上）與主跨之比分布在0.2～0.4之間。

（3）主塔橫橋向塔座間距49 m，輔塔橫橋向塔座間距29 m，根據(jù)建筑美學(xué)中的黃金分割比例理論，即：長寬比接近0.618時可以達(dá)到人的最佳視覺效果，以此確定塔高，確?！肮啊毙嗡旧淼拈L寬比比例協(xié)調(diào)。

（4）橋梁立面上高、低塔比例關(guān)系協(xié)調(diào)。

2 橋梁總體布置

該橋采用懸索—斜拉協(xié)作體系設(shè)計，其跨徑布置為35 m+50 m+168 m+50 m+35 m+35 m=373 m，其中有索區(qū)303 m。為了減小梁段轉(zhuǎn)角，兩側(cè)各設(shè)35 m配跨，主梁斷面全寬44 m，采用半飄浮體系。中跨主纜通過塔頂橫梁置放的轉(zhuǎn)索鞍轉(zhuǎn)向并錨于邊跨混凝土箱梁中，在塔頂轉(zhuǎn)索鞍外側(cè)的塔頂暗橫梁與索塔交界處錨固邊跨斜拉索。東側(cè)邊跨90 m有索區(qū)范圍內(nèi)設(shè)一道輔助墩，改善邊跨結(jié)構(gòu)受力。中跨采用疊合梁，邊跨及配跨采用混凝土主梁。高、低索塔采用“拱”形混凝土結(jié)構(gòu)，高塔與主梁間完全分離，低塔從主梁機(jī)非分隔帶內(nèi)穿過，主塔及輔塔處的梁底支座設(shè)橫向限位裝置，邊墩及輔助墩處設(shè)置縱向滑動支座，僅提供豎向及橫向約束?？傮w布置立面如圖2所示。

中跨采用鋼—混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)，π形主縱梁采用閉口矩形斷面，單側(cè)梁寬4.5 m，梁高3.0 m，橫橋向設(shè)鋼橫梁，梁高3 m，間距8 m與吊桿吊點一一對應(yīng)。鋼橫梁采用工字形斷面，與主縱梁間采用螺栓栓接，上設(shè)栓釘與現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板牢固連接，共同受力。邊跨采用與主跨相似斷面雙邊梁結(jié)構(gòu)，中橫梁與拉索點、輔助墩對應(yīng)，纜索錨固點處采用變截面梁高6.5 m，無索區(qū)配跨與有索區(qū)斷面一致。邊、中跨箱梁橫斷面如圖3、圖4所示。

高、低塔采用混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱中心線采用懸鏈線結(jié)構(gòu)，高塔塔高80 m，低塔塔高55 m?？v橋向沿塔高采用變截面，塔頂部設(shè)暗橫梁，置放主纜鞍座及斜拉索錨固；塔底設(shè)承臺、系梁，承擔(dān)著塔柱產(chǎn)生的橫向水平力。

主纜、吊桿、斜拉索均為空間索結(jié)構(gòu)，主纜采用國內(nèi)較為成熟的PPWS法施工，工廠預(yù)制平行鋼絲索股，現(xiàn)場在貓道上逐股安裝架設(shè)。主塔頂部設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍，兩個主鞍相對傾斜地安裝在塔頂隔柵上,為增加主纜與鞍槽間的摩阻力，并方便索股定位，鞍槽內(nèi)設(shè)豎向隔板，在索股全部就位并調(diào)股后，在頂部用鋅塊填平，再將鞍槽側(cè)壁用螺栓夾緊。主纜通過散索鞍轉(zhuǎn)向并經(jīng)散索套發(fā)散后分成若干股錨固于混凝土主梁尾端，斜拉索上錨端錨于索塔內(nèi)，下錨端與吊桿一致錨于主梁機(jī)非分隔帶內(nèi)，高、低拱立面圖如圖5、圖6所示。

3 橋梁設(shè)計難點處理

該橋景觀方案新穎，橋梁整體結(jié)構(gòu)及局部構(gòu)件設(shè)計將牽涉若干難點。

3.1 纜索、斜拉索、梁、塔間力的傳遞與分配

塔柱頂部設(shè)轉(zhuǎn)索鞍，將主纜穿過轉(zhuǎn)索鞍，錨于邊跨支點處，與加勁梁形成一體，在常規(guī)自錨式懸索橋體系中，整個結(jié)構(gòu)為自平衡狀態(tài)，纜索在塔頂產(chǎn)生的水平力相等，成橋狀態(tài)下，塔底縱向無彎矩；在改良的協(xié)作體系中，成橋狀態(tài)下預(yù)張拉斜拉索，張拉量為收縮、徐變、活載產(chǎn)生的最大塔底彎矩反向的一半，即成橋狀態(tài)下塔柱向邊跨預(yù)偏，當(dāng)各種荷載不利效應(yīng)對主塔產(chǎn)生向跨中方向的最不利彎矩時，向邊跨預(yù)偏的彎矩能夠抵消一部分，減小塔柱的最不利彎矩狀態(tài)，改善塔柱受力，全橋傳力模式如圖7所示。

3.2 主纜鞍座、斜拉索在塔上橫梁處的安放與錨固

鞍座置于塔頂暗橫梁上近主塔位置，鞍座外側(cè)設(shè)錨固斜拉索，斜拉索錨固點位于塔頂暗橫梁與塔柱交界處，鞍座、斜拉索在塔頂橫梁受力互不干涉，鞍座、斜拉索置放位置如圖8所示。

3.3 塔柱橫向力學(xué)性能分析

塔柱的線形需考慮景觀和結(jié)構(gòu)受力相結(jié)合，塔柱的外形采用懸鏈線模擬，塔頂設(shè)暗橫梁，鞍座置放于主塔及暗橫梁交界處的內(nèi)側(cè)，空間纜索將在鞍座上產(chǎn)生豎向壓力及水平力。根據(jù)簡單的力學(xué)圖示分析可以看出：在節(jié)點處水平力由暗橫梁承擔(dān)，豎向力主要由斜向塔柱承擔(dān)，根據(jù)此受力模式進(jìn)行塔柱中心線形的m值（拱軸系數(shù)）選擇，節(jié)點力學(xué)模型如圖9所示。

3.4 主跨空間纜索系統(tǒng)設(shè)計

空間纜索懸索橋由于主纜和吊索形成了一個三維的索系，在對豎向承載能力影響不大的情況下，纜索系統(tǒng)的橫向承載能力得到顯著提高，從而大大提高了整個橋梁的橫向剛度和抗扭剛度。但是，主纜線型的確定由于空間效應(yīng)而增加了難度。

自錨式懸索橋主纜的成橋線型及內(nèi)力，與吊桿的張拉力大小密不可分，同時要受到加勁梁上主纜錨固點變位的影響，因此，若要精確計算主纜成橋線型與內(nèi)力，需要在計入吊桿和加勁梁影響的全結(jié)構(gòu)中來進(jìn)行。可以采用模擬全結(jié)構(gòu)的空間模型，考慮幾何非線性的空間有限元方法，同步迭代求解主纜的成橋線型與內(nèi)力及吊桿的張拉力的方式求得，吊桿的張拉力的確定要兼顧優(yōu)化加勁梁的受力。

4 橋梁結(jié)構(gòu)分析

為了驗證全橋結(jié)構(gòu)受力體系的可行性，利用大型有限元軟件Midas建全橋模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，模型中橋塔和主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，主纜、吊桿、斜拉索采用桿單元進(jìn)行模擬，用于驗證自錨式懸索—斜拉橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的合理性、全橋動力性能的適宜性、邊跨斜拉索對整體結(jié)構(gòu)受力的改善作用，以及尋找索塔橫橋向最佳的合理拱軸線。分析結(jié)論如下。

4.1 成橋狀態(tài)分析

混凝土主梁采用支架結(jié)構(gòu)施工，成橋狀態(tài)梁的彎矩如圖10所示，成橋時中跨彎矩分布均勻，邊跨由于斜拉索的存在，可以對邊跨主梁起到類似輔助墩般的支撐作用，主塔縱向彎矩根據(jù)結(jié)構(gòu)需要張拉斜拉索進(jìn)行預(yù)偏。

4.2 斜拉索作用分析

在主梁幾何非線性效應(yīng)、混凝土的收縮、徐變、活載作用下索塔向中跨跨中彎曲，索塔左、右側(cè)的不平衡彎矩相差較大，如圖11、圖12所示（僅顯示塔結(jié)構(gòu)彎矩），通過張拉斜拉索對活載和收縮徐變引起的不平衡彎矩有明顯的調(diào)節(jié)作用，索塔彎矩如圖13所示。減小了懸索橋根部縱向彎矩的控制截面尺寸，若邊跨無斜拉索，僅通過主纜與鞍座的摩擦力形成索塔的預(yù)偏，那只能控制在微量范圍內(nèi)，且對纜索受力產(chǎn)生不利效應(yīng)。

4.3 全橋動力性能分析

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，該橋型結(jié)構(gòu)體系動力性能與常規(guī)自錨式懸索橋類似。

表1 動力特性表

4.4 塔受力分析

塔的中心軸線為曲線，相較于常規(guī)的直線形塔，塔的橫向受力需引起足夠重視，塔的橫向受力與塔的造型密切相關(guān)，通過不斷分析驗證，采用懸鏈線，塔結(jié)構(gòu)橫向受力狀態(tài)相對較好，當(dāng)塔的中心軸線采用橢圓線時，塔底彎矩明顯增大。通過分析計算，該方案塔的中心軸線采用拱軸系數(shù)為15的懸鏈線。

5 結(jié)語

本文提出的橋梁方案景觀構(gòu)思奇特、新穎，是多種橋梁結(jié)構(gòu)的巧妙融合，使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢，在橋梁結(jié)構(gòu)本身受力合理的前提下，可以營造較好的城市景觀。本文對該方案的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，充分論證了邊跨采用斜拉索能更好地改善全橋的力學(xué)性能，同時對橋梁景觀和結(jié)構(gòu)提出一種新的設(shè)計思路。盡管該景觀橋的力學(xué)體系是切實可行的，但整個橋梁結(jié)構(gòu)中的每個構(gòu)件設(shè)計仍相當(dāng)復(fù)雜，在下一步的設(shè)計中仍需謹(jǐn)慎處理。

[1]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]胡建華.現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社,2008.