北江四橋橋梁造型設計及關鍵技術研究

1 引言

斜拉橋橋型主要是以豎直線的橋塔、斜直線的拉索、拱曲線的主梁為架構，其主梁、主塔及拉索、主墩等主體構件的造型設計是橋梁景觀設計的重要組成部分，影響著斜拉橋橋梁整體布局和形象。設計時不僅要考慮其功能性和安全性，橋梁造型也要創(chuàng)新，其中橋梁主體構件要有獨特的藝術造型，創(chuàng)造出結(jié)構優(yōu)美、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的橋梁結(jié)構。有關橋梁造型設計的文章很多，從造型、主梁、主塔、主墩等不同角度分析橋梁造型設計 。本文以清遠市北江四橋為例，探討單索面斜拉橋橋梁的造型設計和相應的關鍵技術研究。

2 橋梁景觀設計原則

橋梁景觀設計的重點是最大限度發(fā)揮橋梁及周邊環(huán)境的資源功能，使橋梁景觀與技術、功能、生態(tài)、經(jīng)濟、文化等相協(xié)調(diào)，這是景觀設計必須遵守的原則，主要包括橋梁使用功能要求的原則、質(zhì)量第一原則、體現(xiàn)主體結(jié)構造型的原則、以橋梁結(jié)構作為載體的美學形態(tài)原則、協(xié)調(diào)橋位周邊景觀原則、環(huán)境保護和環(huán)境建設原則、尊重民風民俗原則。

3 北江四橋橋梁造型設計

3.1 橋梁方案構思

本項目作為清遠市的中軸線和景觀大道，必須充分考慮橋型的景觀效果。根據(jù)北江四橋橋位的實際情況，橋梁方案主要由現(xiàn)狀跨江橋型、征地拆遷、航道凈空、地質(zhì)水文條件、景觀要求及施工難易程度決定。清遠市跨北江橋梁多以拱橋、梁橋為主，景觀效果一般，無斜拉橋橋型，而本項目橋址處水面開闊，北岸以村落、農(nóng)田為主，南岸為矮層洋房。在充分了解地域環(huán)境及功能需求等前提下，結(jié)合當?shù)匚幕匦?，本項目的主題創(chuàng)意為“山水清遠，鳳舞北江”的單索面寬幅斜拉橋方案。

3.2 主梁設計

從表1比較可知，鋼箱梁具有施工周期短，周轉(zhuǎn)次數(shù)多，施工安全可靠，外形輕盈、景觀效果好，質(zhì)量易控制等特點，建成后線型標準高，社會效益優(yōu)，推薦采用大懸臂鋼箱梁為主梁結(jié)構型式。

3.3 主塔及拉索設計

主塔內(nèi)外形狀皆呈“水滴流線型”，烘托出清遠是最美的山清水秀宜居城市和旅游之鄉(xiāng)，與城市新中軸線和新地標建筑的定位相匹配。主橋橋塔兩側(cè)設置成弧形的觀景平臺，站在平臺上，視野開闊，清遠新區(qū)周邊美景凈收眼底。從上表比較可知，水滴型主塔具有施工周期短，施工安全可靠，外形輕盈、主題創(chuàng)意巧妙等特點，推薦采用水滴型主塔為主塔結(jié)構型式。如表2所示。

3.4 主墩設計

主墩設計可通過造型獨特、結(jié)構輕巧、線形優(yōu)美、比例協(xié)調(diào)來表現(xiàn)序列韻律美，除考慮其功能、經(jīng)濟、施工技術、管理等因素外，還需考慮與主橋結(jié)構型式的搭配及周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，推薦采用T型橋墩為主墩結(jié)構型式。如表3所示。

4 關鍵技術研究

4.1 測力調(diào)高支座研究

表1 主梁結(jié)構型式比選表

主橋采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的支承形式，梁底設支座支承在橋墩上。本項目每個軸上縱向布置2排支座，橫向布置4個支座，在國內(nèi)首次應用和開發(fā)了測力調(diào)高支座。測力調(diào)高球型支座首先能發(fā)揮普通球型支座的全部作用，同時通過彈性體以及測力系統(tǒng)具備對支座受力情況進行實時監(jiān)測和傳輸，當監(jiān)測到支座受力不均勻超過容許值時，可對支座進行無級調(diào)高，以使支座的受力達到設計的合理范圍內(nèi)，并且更加均勻，能減少因受力不均對梁體及橋墩造成的損傷。

表2主塔結(jié)構型式比選表

表3 主墩結(jié)構型式比選表

4.2 鋼砼結(jié)合段研究

鋼砼結(jié)合段長度22.1米，鋼箱梁外包在混凝土箱梁之外，全斷面與混凝土箱梁結(jié)合成一體，在鋼箱梁的頂板、底板和腹板上布置抗剪栓釘與混凝土梁體牢固結(jié)合，在鋼箱梁節(jié)段端部設置多格室分離結(jié)構，在鋼隔室中填充混凝土，其腹板上設置PBL鍵加強鋼板與混凝土的延性，并通過預應力粗鋼筋和鋼絞線加強鋼箱梁與混凝土箱梁的連接。在鋼梁頂板、底板U型加勁肋設置倒T型加勁板，使鋼箱梁節(jié)段截面特性逐漸過渡，防止剛度突變。

4.3 超高韌性組合橋面研究

為解決鋼橋面疲勞裂紋和鋪裝易損壞問題，本項目采用超高韌性組合橋面（簡稱STC組合橋面）。STC組合橋面的使用，能大幅提高橋面剛度，減小面板和縱橫肋在輪載下的應力，提高了鋼橋面的抗疲勞壽命，降低單索面寬幅斜拉橋橫向變形。

5 結(jié)語

北江四橋是清遠市區(qū)的城市景觀中軸線和新地標，建成后將是清遠市未來的一大旅游休閑的重要景點，橋梁景觀設計也越來越重要，而橋梁選型設計是工程的靈魂，斜拉橋的美存在于結(jié)構的形態(tài)之中，設計時不僅要考慮其功能性和安全性，橋梁造型也要創(chuàng)新，其中橋梁主體構件要有獨特的藝術造型，創(chuàng)造出結(jié)構優(yōu)美、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的橋梁結(jié)構。本文通過北江四橋?qū)嵗U述橋梁方案構思、主梁、主塔及拉索、主墩等主體構件設計，探索出一套針對單索面斜拉橋橋梁造型的設計方法，為同類斜拉橋的橋梁造型設計提供參考價值，并重點介紹了本橋測力調(diào)高支座、鋼砼結(jié)合段、超高韌性組合橋面等關鍵技術研究。