綿陽三江大橋疊層曲線組合斜拉橋設(shè)計理念和關(guān)鍵技術(shù)

寧平華，樂小剛，楊 勇

（廣州市市政工程設(shè)計研究院，廣東廣州 510060）

0 引言

綿陽建城有二千多年的歷史，人杰地靈，素有“富樂之鄉(xiāng)”之稱，有著豐富的歷史文化底蘊；綿陽是國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)的中國唯一的“科技城”，有“西部硅谷”的美譽。涪江、安昌河和芙蓉溪三條河流流入城內(nèi)并在城中心的東南處交匯，市區(qū)山青水秀，環(huán)境優(yōu)美，可謂是“山水之城”。

三江大橋工程位于城南新區(qū)主干路紅塔街路，跨越涪江，是區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)體系的重要節(jié)點。兩端順橋方向接紅塔街路規(guī)劃寬度40 m，為交通性主干路，設(shè)計時速60 km/h,主橋雙向6 車道。大橋西起規(guī)劃路，自西向東分別跨越西岸的涪濱路、涪江和東岸的綿鹽大道后接地，橋位處江面寬約600 m，距三江口約2.5 km，位于桃花島和三江大壩之間。

綿陽三江大橋作為三江口區(qū)域的標(biāo)志性建筑，必然要求在滿足功能的條件下，與自然環(huán)境和諧，與城市特點相符，體現(xiàn)綿陽市的特殊歷史文化，達(dá)到建筑景觀和功能融合統(tǒng)一。為此，綿陽市規(guī)劃局和建設(shè)局于2007年1月組織了全國橋梁方案招標(biāo)，業(yè)主的標(biāo)書要求該橋的建設(shè)目標(biāo)為：

（1）滿足交通功能。橋梁建成后能夠為兩岸交通往來提供方便快捷的交通服務(wù)，通過合理的交通組織，改善區(qū)域交通格局，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展。

（2）營造公共空間。橋梁建成后，利用橋面人行道、觀景平臺及橋頭廣場等為綿陽市民提供公共活動空間，提升生活品質(zhì)，增進(jìn)市民對城市的認(rèn)同感、榮譽感和歸屬感。

（3）凸現(xiàn)城市形象。通過橋梁的造型、景觀設(shè)計，使橋梁成為旅游觀光的景點和藝術(shù)品，弘揚綿陽優(yōu)秀的歷史傳統(tǒng)和人文精神，展示綿陽城市文化，彰顯城市品位，凸現(xiàn)綿陽新形象。

（4）增強城市吸引力。橋梁建成后，能夠體現(xiàn)綿陽的經(jīng)濟、科技實力，成為綿陽對外宣傳、交流的名片，加深城市吸引力,增強投資者信心。

在全國眾多的橋型方案中，疊層曲線組合斜拉橋方案獲得了業(yè)主和專家一致青睞，作為滿足要求的實施方案。下面簡要介紹設(shè)計理念。

2 設(shè)計理念

（1）基本原則：橋梁建筑必須遵循“功能適用、結(jié)構(gòu)安全、造價經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)耐久、造型美觀、環(huán)境協(xié)調(diào)，技術(shù)先進(jìn)”和工程可實施性的總技術(shù)目標(biāo)。

（2）規(guī)劃原則：橋梁應(yīng)滿足道路交通規(guī)劃的要求，還應(yīng)處理好與周邊設(shè)施、建筑等規(guī)劃的關(guān)系，使橋梁與環(huán)境、生態(tài)相協(xié)調(diào)，營造出水、橋、城一體的城市形態(tài)。

（3）創(chuàng)新原則：對有標(biāo)志性要求的城市橋梁應(yīng)避免與市內(nèi)已有橋梁的雷同，充分吸取國內(nèi)外橋梁設(shè)計和建設(shè)的新理念、新材料、新工藝和先進(jìn)經(jīng)驗，在結(jié)構(gòu)造型和新技術(shù)應(yīng)用方面有所創(chuàng)新。

（4）人本原則：營造安全、舒適的公共活動空間，提升生活品質(zhì),增進(jìn)市民對城市的認(rèn)同感、榮譽感和歸屬感。

（5）城市名片：把該城市中的突出位置和重要橋梁作為藝術(shù)品和旅游景點來進(jìn)行設(shè)計，力爭創(chuàng)造出具有國際特性的優(yōu)秀橋梁，使工程、景觀、自然環(huán)境及人文環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，設(shè)計出安全、美觀、經(jīng)濟的標(biāo)志性工程，使它成為該城市亮麗的名片。

3 方案構(gòu)思

本次方案設(shè)計導(dǎo)入建筑景觀的設(shè)計理念，從橋梁的建筑與景觀出發(fā)，使橋梁巧妙地融入自然環(huán)境，同時又成為具有代表性和象征性的人文景觀。在充分了解地域環(huán)境及功能需求等的前提下，設(shè)計出了“子云飛揚”（該橋原名子云橋）——曲線疊層組合斜拉橋方案。采用現(xiàn)代橋梁造型，結(jié)合生態(tài)、環(huán)保、人性化理念，構(gòu)思出“雙鶴起舞”之主題，使橋梁與區(qū)域的特性相吻合。在橋塔設(shè)計上，充分展現(xiàn)橋梁建筑力與美的結(jié)合，并巧妙融合了符號學(xué)和建筑力學(xué)，剛?cè)岵?，在弱化建筑剛硬冰冷的體量感的同時，增加了建筑的審美性和時代感。兩個白色橋塔猶如兩只白鶴相視齊舞，引吭高歌，與周邊的小枧生態(tài)濕地公園的環(huán)境氛圍相吻合。大橋姿態(tài)動感、挺拔，與周邊規(guī)劃有機協(xié)調(diào)，同時為整個城市增添了活力。圖1和圖2大略展示了方案構(gòu)思演變過程。

圖1 疊層曲線組合斜拉橋方案構(gòu)思演變圖

圖2 橋塔造型構(gòu)思演變圖

根據(jù)先進(jìn)的設(shè)計理念和細(xì)致的方案構(gòu)思，該方案創(chuàng)新具有如下特點。

（1）橋位形象突出

將橋梁位于水面中央，周圍環(huán)境開闊，形象十分突出，構(gòu)思新穎，造型獨特，追求創(chuàng)新，并結(jié)合現(xiàn)代高科技術(shù)，必將成為“城市會客廳”中一件光彩奪目的藝術(shù)品，加之其具有世界名橋的特質(zhì)，與綿陽“會客廳”的定位相吻合，構(gòu)建出嶄新的城市旅游亮點，開創(chuàng)新時代的橋梁特征。

（2）雙索曲直梁體系——雙橋共塔

該橋在梁的布設(shè)形式上采用了大膽新穎的構(gòu)思，將人行橋布置于上層，人行橋由拉索聯(lián)系于車行橋的兩個主塔上（即雙橋共塔），如雙鷺展翅對舞。人行橋采用S 形曲線的布設(shè)，宛如一條優(yōu)美飄逸的彩帶飛跨于涪江之上，為游人創(chuàng)造了新的觀景感受，形成一個休閑觀光的公共空間，不僅滿足了一般的通行要求，更豐富了旅游觀光視點。S 形的自由曲線打破了傳統(tǒng)橋梁直線型的固有印象，賦予橋梁新的活力。

（3）三維立體的交通空間——人車分流

大橋方案采用人行橋與車行橋分開布置的設(shè)計方案。車行橋位于下層，人行橋采用S 型的曲梁造型位于上層。三維立體的交通通行模式既滿足大橋基本的交通功能，也大大方便了游人欣賞大橋的自由性，并可以俯看大橋及江景，人行線路亦不會與車流發(fā)生沖突。車行橋位于下層，很好地解決了人流和車流之間的相互干擾，形成了車行與旅游行人分離的格局，為游人提供了更多的自由空間和安全保障。

（4）人性化的設(shè)計理念——無障礙設(shè)計

在人行橋的高程和縱波（4.5%）設(shè)計上，避免了兩岸的上橋人行梯道，實現(xiàn)了無障礙設(shè)計。行人自駁岸緩坡上橋，形成自然流暢的旅游觀光動線，提升了人行過橋的舒適性，充分體現(xiàn)了人性化的設(shè)計理念。

（5）豐富橋梁的旅游功能

該方案給游人創(chuàng)造了新的觀景感受，當(dāng)人行過橋時自然地從左側(cè)走到了右側(cè)，能將兩岸及上下游景色盡收眼底，并能全面立體地觀賞大橋及涪江美景。當(dāng)游人行至橋中時位于江心，同時也是橋梁縱坡的最高點，景觀視點極佳，經(jīng)彎橋跨越車道令人心曠神怡，不但可觀賞涪江美景，也可欣賞大橋的雄姿，提升了該橋的價值，大大拓展了交通和觀光功能。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

三江大橋主橋為三跨雙層斜拉橋，上層為S形人行天橋，下層為雙向6 車道車行橋。主橋跨徑組合為100 m+200 m+100 m，全長400 m。倒Y 型橋塔塔高98 m，主體結(jié)構(gòu)高84.5 m，頂部裝飾高13.5 m；車行橋主梁采用大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，斷面尺寸：頂板全寬28 m，底寬12.3 m，懸臂長6.65 m，梁高3 m。人行橋為44 m+45 m+100.434 m+208.723 m+100.434 m+42 m+42 m（跨徑數(shù)值為按人行橋里程線展開之尺寸）七跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，主梁采用鋼箱梁。斜拉索采用鋼絞線拉索，全橋共有68 根（其中車行橋52 根，人行橋16根），最大索長 1 08.8 m，重 4 .5 t。

主橋主塔基礎(chǔ)采用承臺接鉆（沖）孔灌注樁基礎(chǔ)。在每根塔柱下布置一個14.8 m ×14.8 m 的鋼筋混凝土承臺，單個橋塔基礎(chǔ)下布置20 根Φ2.2 m的鉆孔灌注樁。該橋索塔呈倒Y 型不對稱結(jié)構(gòu)，塔柱底面高程450.83 m，頂面高程547.83 m，索塔總高度為97 m。橋塔錨索區(qū)以下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，錨索區(qū)及以上部分采用鋼塔柱。主橋立面、平面和橫斷面布置分別在圖3、圖4和圖5示出。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 疊層曲線組合結(jié)構(gòu)體系

綿陽三江大橋分為上下兩層，上層為S 形飄帶的兩塔人行斜拉橋，下層為兩塔車行斜拉橋。上層人行橋采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，下層車行橋采用混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。由于梁體的結(jié)構(gòu)完全分離，對其提供彈性支承的斜拉索也是完全獨立的兩部分，即分別包含人行橋斜拉索和車行橋斜拉索。雖然兩部分斜拉索相互獨立，但是橋塔共用。

5.2 大跨度曲線人行橋

對于車行橋來說，主跨200 m 的斜拉橋跨徑并不大，國內(nèi)在這方面也有大量的工程先例，但是，相對于人行橋來說，100 m+200 m+100 m（對應(yīng)于人行橋里程線，人行橋橋跨組合應(yīng)為100.4 m+208.7 m+100.4 m）如此大跨度的專用人行斜拉橋在國內(nèi)外均極其少見。倫敦千禧橋的跨徑組合為81 m+144 m+108 m，據(jù)統(tǒng)計，綿陽三江大橋人行橋跨度為同類橋型中世界第一跨。

5.3 不對稱橋塔

橋塔采用不對稱的中塔柱設(shè)計，人行橋側(cè)的中塔柱為箱形的空心混凝土結(jié)構(gòu)，其橫斷面尺寸大，而另一中塔柱為圓形的實心混凝土結(jié)構(gòu)，其橫斷面尺寸小，與人行橋的曲線形狀相呼應(yīng)，壓力大的塔柱尺寸大，壓力小的尺寸小，達(dá)到結(jié)構(gòu)受力和視覺效果統(tǒng)一，是力與美自然結(jié)合的典范。該橋塔本身橫向不對稱的結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)外大型的橋梁中未見，填補了這方面的空白。

圖3 主橋橋型立面圖（單位：m,高程：m）

圖4 主橋平面布置圖（單位：m）

圖5 主橋橫斷面布置圖（單位：cm,高程：m）

5.4 基于高阻尼鏈桿與調(diào)頻質(zhì)量阻尼器組合減振技術(shù)

行人步頻分布在 1 .60～2.40 Hz 這樣一個很窄的頻帶內(nèi)[1]，如結(jié)構(gòu)自振頻率也在此范圍內(nèi)，人行就會感到不舒適并易誘發(fā)共振現(xiàn)象，所以國內(nèi)現(xiàn)行人行天橋設(shè)計規(guī)范有天橋結(jié)構(gòu)自振頻率大于3 Hz 的要求，而跨度大于50 m 的梁式橋就較難滿足此要求，這就需要進(jìn)行減振和考慮舒適度的設(shè)計。通過安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器進(jìn)行人行橋人致振動的控制在國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的成功應(yīng)用例子，例如倫敦千禧橋通過安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器和粘滯阻尼器成功地解決了棘手的人致振動問題。

本設(shè)計在盡量減少影響人行橋和車行橋的外形的前提下，在人行橋和車行橋之間設(shè)置3 對高阻尼鏈桿來增加結(jié)構(gòu)的整體剛度和結(jié)構(gòu)阻尼，在中跨和邊跨共設(shè)了4 套調(diào)頻質(zhì)量阻尼器TMD，明顯地改善了人行橋的動力性能，滿足了舒適度要求。

針對該橋人行橋跨越車行橋的特點，通過計算與分析，確定設(shè)置3 對人行橋與車行橋之間鏈桿。這3 對鏈桿所處位置分別如下（見圖6）。

（1）在中跨人行橋和車行橋水平相交的位置，設(shè)置一對豎直鏈桿，在人行橋主跨6 號拉索處，約在中跨跨中左右各30 m 處。

（2）在邊跨人行橋、車行橋具有相同高程處設(shè)置一對水平鏈桿，位置在人行橋邊跨5 號拉索處，距塔約57 m 處。

（3）在人行橋中跨4 號拉索處設(shè)置一對斜向鏈桿，位于主跨跨中兩側(cè)約54 m。

設(shè)置鏈桿后，人行橋的頻率尤其是側(cè)彎頻率顯著增加，落入敏感頻率范圍的模態(tài)數(shù)也減少。共需要 4 套調(diào)頻質(zhì)量阻尼器，所有質(zhì)量阻尼器的總質(zhì)量為 4 2.49 t。減振系統(tǒng)的附加質(zhì)量減少了約60%。減振系統(tǒng)和鏈桿桿系統(tǒng)的總成本可降低一半。

根據(jù)計算，該工程的TMD 參數(shù)設(shè)計見表1。

圖6 三對鏈桿所在位置有限元模型圖（俯視圖）

表1 TMD 設(shè)計參數(shù)表

TMD 實測結(jié)果表明：在安裝TMD 前和TMD鎖定不工作時，三江大橋在主跨作用200～250 人的條件下，三江大橋就發(fā)生了大幅橫向振動，穩(wěn)態(tài)下的最大水平加速度就達(dá)0.30～0.35 m/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常行走的最佳舒適度指標(biāo)0.1 m/s2。在TMD全部開啟狀態(tài)下，在主跨400 人行走激勵時，穩(wěn)態(tài)下的最大水平加速度只有0.08 m/s2左右，減振效果十分明顯，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié)語

該工程于2009年1月開始施工，2013年順利建成通車。該橋的建成已成為綿陽一道亮麗的風(fēng)景線，實現(xiàn)了當(dāng)?shù)卣腿罕姷囊蠹百碓?。通車后的試驗和檢測表明，該橋的結(jié)構(gòu)體系是安全可靠的，其高阻尼過鏈桿和TMD 組合技術(shù)是行之有效的，能夠經(jīng)濟有效地解決大跨度人行橋的舒適性問題，可供其它工程借鑒。

[1] 陳政清,華旭剛.人行橋的振動與動力設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2009.