鷹形人字拱斜拉橋的設(shè)計(jì)與分析

蘇彬彬

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程系，福建 南平 353000）

橋梁建筑作為現(xiàn)代文明中不可缺少的實(shí)用性建筑結(jié)構(gòu)物，首先應(yīng)滿足使用功能的需要，然而一座優(yōu)秀的橋梁往往以其雄偉壯麗、精巧雋秀而顯示出人民的創(chuàng)造力，以其先進(jìn)的技術(shù)、精湛的工藝反映出社會的生產(chǎn)水平，更以其磅腐氣勢、雄偉渾厚標(biāo)志著時(shí)代精神，從而成為一項(xiàng)藝術(shù)杰作。

為了保證現(xiàn)代橋梁的新、美、穩(wěn)的建筑特性，以及日新月異的世界發(fā)展所要求的鮮明時(shí)代特征，如何突破傳統(tǒng)的橋梁在結(jié)構(gòu)或造型上存在的局限性，便成為了現(xiàn)代橋梁建設(shè)所面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)，為此進(jìn)行了深入的探索，提出了一種嶄新的橋梁結(jié)構(gòu)型式，即斜拉與異型人字拱的組合——鷹形人字拱斜拉橋。

下面以某橋的投標(biāo)方案為基礎(chǔ)，作簡要分析。

1 空間構(gòu)成

圖1 總體布置圖

（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)荷載：汽一20，掛一100，人群3.5kN/m。橋跨布置為 70m＋70m，全長140m，寬14m，主橋跨采用翼型橋塔單索面斜拉橋（見圖1）。上部結(jié)構(gòu)采用塔、墩、梁固結(jié)體系，豎琴式單索面，塔墩為雙薄壁柔性墩身配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

（2）主梁與橋面板。主梁截面采用抗扭能力大的斜腹板單箱截面，梁高1.8m。主梁內(nèi)不設(shè)中橫梁而采用每隔2.5m設(shè)置一對預(yù)應(yīng)力混凝土斜桿來傳遞拉索拉力，在箱梁頂板中央錨索處設(shè)置加強(qiáng)的小縱梁，既利于錨索，又使行車道板受力明確。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，用50號混凝土?？紤]到近年來橋面板破壞的主要原因往往是鋼筋的銹蝕，橋面板采用纖維增強(qiáng)混凝土材料（FRC）（該材料具有很高的的抗疲勞和靜力強(qiáng)度，且造價(jià)低于普通鋼筋混凝土）。

（3）橋塔。采用翼形橋塔的造型，矢跨比1/7，有效地降低了主塔建筑高度，減少了塔柱材料的用量及造價(jià)，符合城市橋梁建筑要求。橋塔采用箱形變截面拱，受力分析表明，橋塔下半部拱肋承受壓力，可充分發(fā)揮混凝土的抗壓特性。同時(shí)，作為拉索錨固段，為防止錨固力作用下的開裂，可采用體內(nèi)有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼絲束或體外無粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。將預(yù)應(yīng)力作為外力來平衡拉索產(chǎn)生的內(nèi)力。上半部拱肋承受拉力，采用全預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土以增強(qiáng)抗拉能力，減少縱向裂縫出現(xiàn)的可能性。

（4）鋼管混凝土斜撐。在主塔兩側(cè)分別架設(shè)兩根鋼管混凝土斜撐，作為偏心受壓桿件，承受水平推力。其端部與翼形主塔相連接，構(gòu)成異形人字拱，增強(qiáng)了主塔的抗壓能力與橋的整體剛度，同時(shí)對主塔起支撐作用，使其力學(xué)性能得到明顯改善。

（5）斜拉索。斜拉索由12對φ5mm高強(qiáng)鋼絲平行鋼絲束組成。拉索在梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距為8.0m。拉索兩端安裝抗疲勞性能良好的特殊冷鑄錨具，方便預(yù)加應(yīng)力、卸載和換索。

2 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析

（1）靜力分析將。橋作一平面模式進(jìn)行受力分析。全橋共分70個(gè)單元，76個(gè)節(jié)點(diǎn)，12種截面。設(shè)計(jì)荷載按汽超20計(jì)算，掛車按120驗(yàn)算，人群荷載3.5kN/m2。在恒載作用下，最大彎矩發(fā)生在約1/4跨徑處，最大負(fù)彎矩發(fā)生在墩頂處的主梁截面；最大剪力發(fā)生在塔根處；最大軸力發(fā)生在橋塔根部，橋塔上拱肋的拉力亦在控制設(shè)計(jì)值之內(nèi)。最大豎向撓度產(chǎn)生在1/3L，處，撓度值為5.613mm，大大小于同等跨徑單索面斜拉橋的最大豎向撓度，與異型拱橋相近[根據(jù)安陽東風(fēng)橋（60m＋60m）理論，撓度值為6.4mm]。受力分析表明，本橋結(jié)構(gòu)受力合理。

（2）靜動(dòng)力受力分析表明，本設(shè)計(jì)方案具有良好的受力特征與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。如果橋位地區(qū)對風(fēng)振、抗震性能有特殊要求，可仿斜拉橋采取相應(yīng)的減振（震）措施。另外，橋塔兩端的鋼管混凝土柱可滿足一定的減震需要。值得一提的是人字鋼管混凝土斜撐與翼形橋塔的組合結(jié)構(gòu)在平、立、縱面上均為三角形構(gòu)圖，具有很好的穩(wěn)定性，這從整體上大大地增強(qiáng)了橋梁的穩(wěn)定性

3 美學(xué)概述

橋梁造型的美學(xué)效果應(yīng)是現(xiàn)代橋梁建設(shè)中必須考慮的重要因素之一。鑒于此，我們構(gòu)思的鷹形人字拱斜拉組合橋方案，除了基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性考慮之外，同時(shí)也從橋梁美學(xué)效果方面出發(fā)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。本方案綜合考慮了橋梁的形式美、功能美以及與環(huán)境的協(xié)調(diào)作用，從時(shí)代的需求出發(fā)，打破了保守的設(shè)計(jì)思路，將斜拉橋、拱橋等基本橋型進(jìn)行合理分解與重組并進(jìn)行適當(dāng)變形，在實(shí)用的前提下塑造出一個(gè)新穎、美觀、獨(dú)特的橋梁造型。

（1）形式美。翼形橋塔的拱肋線型改傳統(tǒng)對稱曲線為偏態(tài)的異型曲線，吊桿按一定斜率斜向布置而不是豎向布置，這就使其在比例方面產(chǎn)生了獨(dú)特的動(dòng)感效果。吊桿按一定間距和斜率斜向布置，傾斜的構(gòu)件序列形成了較快的韻律，這種速度感結(jié)合拱肋重心向吊桿傾斜方向的偏移，使橋梁具有了強(qiáng)烈的動(dòng)勢效果，使鷹形人字拱斜拉橋在形態(tài)上產(chǎn)生了栩栩如生的生命感，體現(xiàn)了"鷹擊長空"的壯觀景象。

（2）功能美。鷹形人字拱斜拉橋各部分均沒有多余浪費(fèi)之處，它像彎弓緊張以抵抗外力，呈現(xiàn)渾然一體的強(qiáng)有力的功能美。人字形鋼管混凝土柱承受水平推力，端莊穩(wěn)重；雙面平行斜拉索采用高強(qiáng)度柔性鋼絲束，既經(jīng)濟(jì)又美觀；翼型橋塔具有一般斜拉橋主塔的力學(xué)功能，在安全允許的前提下，最大可能地變異，有著如鷹翼般的動(dòng)態(tài)美。令人明顯感覺到它的簡潔明快而又不失緊張感，給人以巨大的心理誘惑力。

（3）建筑環(huán)境及其協(xié)調(diào)性。鷹形人字拱斜拉橋建筑高度小、造型獨(dú)特，適用于平原地區(qū)的河中造型和軟土地基以及建筑藝術(shù)要求較高的城市大、中型橋梁。若將此橋建于開闊地帶的W形河床上，則更具建筑優(yōu)勢。

從景觀藝術(shù)上考慮，本橋適宜于強(qiáng)調(diào)法的處理，即讓橋梁成為周圍環(huán)境的主景，又與環(huán)境取得視覺上的平衡。也就是說使橋梁在景觀中居于中心地位，并在以該橋?yàn)橹骶暗那疤嵯?，匯集各種物象而創(chuàng)造出新的環(huán)境和新的景色。

（4）橋梁附屬設(shè)施的協(xié)調(diào)。本橋?yàn)轶w現(xiàn)現(xiàn)代城市的活力，在附屬設(shè)施的布置上作了精心的安排。照明設(shè)施采用主塔門的多棱鏡球體與線型排列的蘭花型立桿路燈相結(jié)合的方式，作為主要安全設(shè)施之一的欄桿則采用白色外涂的鷹形樓空雕花形式，在外觀裝飾上，銀灰的主塔與深紅的鋼管交相輝映。整體造型與細(xì)部裝飾均帶有強(qiáng)烈的暗示感，大膽的色彩與線條體現(xiàn)了熱情奔放的現(xiàn)代主旋律，將力的雄渾，水的柔美，有機(jī)結(jié)合在一起。

4 發(fā)展前景及展望

鷹形人字拱與斜拉組合橋是對傳統(tǒng)橋型的一次全新的挑戰(zhàn)。這種組合變異的橋型將會給未來的城市建設(shè)帶來新的景觀。隨著建筑工藝的不斷提高，施工經(jīng)驗(yàn)的逐步積累，此類橋梁的結(jié)構(gòu)將更加合理，造型將更加豐富，附屬設(shè)施將更趨完善，建筑造價(jià)將更加低廉。以長遠(yuǎn)的目光來看，本文所提出的橋型構(gòu)思極具發(fā)展?jié)摿?，是一種逐步走向完善的經(jīng)濟(jì)實(shí)用合理的新型橋梁。

鷹形人字拱斜拉橋集斜拉橋、異型拱及人字拱橋三家之長，將橋梁力學(xué)與橋梁美學(xué)有機(jī)地融合在一起，作為一種新型橋型供建設(shè)和設(shè)計(jì)的單位參考。它的主要特點(diǎn)在于：①合理的空間構(gòu)成與材料的充分利用。②力學(xué)與美學(xué)達(dá)到最大限度的和諧。③使橋梁的標(biāo)志作用與象征意義得到清晰的體現(xiàn)。