基于地方文化的獨塔單索面斜拉橋設(shè)計研究

1.前言

1.1 國內(nèi)斜拉橋建設(shè)現(xiàn)狀

近些年國內(nèi)斜拉橋發(fā)展速度很快，型式多，橋跨跨徑不一，建橋總量已經(jīng)居世界前列，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)共建設(shè)斜拉橋超過200座，達到全世界斜拉橋總數(shù)的1/3。

我國的斜拉橋分布較廣，型式多樣，跨徑有50m以下的景觀斜拉橋，同時已建設(shè)的大跨斜拉橋的跨徑已突破1000米。斜拉橋具有跨越能力大的特點，目前較普遍的看法為適合跨徑200～800m的橋梁。但隨著一些城市景觀橋的需要，也陸續(xù)出現(xiàn)一些100～200米跨徑的橋梁，這些橋梁以獨塔斜拉橋居多，主要從主塔及斜拉索索面造型來突出景觀效果，彰顯當(dāng)?shù)匚幕厣?/p>

1.2 設(shè)計研究背景

上杭縣城區(qū)已建橋梁數(shù)量不多，類型單一，除一座石拱橋外，其余均為梁橋。潭頭位于汀江的城區(qū)中心位置，正對紫金山公園。在對該位置設(shè)置橋梁的設(shè)計研究中，結(jié)合各方需求，得出在橋型選擇上應(yīng)盡量宏偉大氣、新穎獨到，且景觀效果顯著，既能融入汀江橋梁建筑群，又具有鮮明的標(biāo)志性，成為汀江上一代表性橋梁。

橋梁所在處水面開闊，寬約170米，兩岸風(fēng)光秀麗。根據(jù)要求，需預(yù)留五級通航航道，且該區(qū)域為皮劃艇訓(xùn)練基地，要求場地寬闊，同時兼顧景觀要求，故設(shè)計選定主跨跨徑為138米的獨塔斜拉橋。上杭為客家人聚集地，結(jié)合該地建筑設(shè)計習(xí)慣，在建筑外形上融入地方文化特色，故橋梁擬在橋塔景觀上融入客家文化元素。

1.3 設(shè)計概況

上杭城區(qū)潭頭大橋跨越汀江，橋梁總長323m，主橋采用獨塔四跨單索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋，跨徑布置為40+45+138+30=253m，邊跨及主跨各設(shè)一個輔助墩；索塔下部及塔頂分別采用水滴和春筍造型，橋面總寬32m，布置雙向四車道、非機動車道和人行道。主橋布置如圖1-1。

圖1-1 橋梁布置圖

2.橋梁造型及景觀設(shè)計研究

2.1 塔型選擇

縱橋向主塔結(jié)構(gòu)型式有獨柱型、倒Y型和A字型等。單柱型主塔構(gòu)造簡單，外形輕盈美觀，施工方便，是常用的塔型。A字型和倒Y型主塔剛度大，具有良好的抗震能力，施工復(fù)雜，此類主塔應(yīng)用較少。本斜拉橋主跨跨徑為138米，屬于斜拉橋中跨徑較小的橋梁，橋梁寬度32米，主塔縱橫向均采用獨柱型較合理。在比較直塔和斜塔造型時，直塔造型更能體現(xiàn)客家文化正直向上的精髓，因此采用直塔造型。在主塔中融入客家文化元素，形成下水滴、上春筍的獨特造型。

圖2-1 橋梁日景及夜景效果圖

獨柱主塔上窄下寬，下寬部分鏤空為水滴型，喻為“水納百川，匯聚八方”?？图椅幕诳图胰四线w的過程中與當(dāng)?shù)匚幕粩嗳诤?，水滴造型正是對兩種文化匯聚貫通、不斷發(fā)展的表達。塔頂取型雨后春筍，喻為“年年好，節(jié)節(jié)高”，體現(xiàn)了上杭客家人“勤奮向上、團結(jié)進取”的精神，凸顯出橋型的設(shè)計主題：“逐（竹）夢”。

2.2 索面設(shè)計

獨柱式主塔設(shè)置在橋梁中間4米索區(qū)范圍，對應(yīng)斜拉索僅能設(shè)置單索面。斜拉索面根據(jù)景觀要求有扭索面、編花索面及常規(guī)的平索面。扭索面要求塔身較高，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，拉索索力大，結(jié)構(gòu)效率較低，而編花索面一樣存在扭索面的缺點，同時還存在獨塔單索面難以布置的問題。通過分析，本橋采用較適合的平索面布置形式。平索面斜拉索一般有三種形狀：放射形、豎琴形、扇形，扇形布置的斜拉索兼具放射形和豎琴形兩種布置方式的優(yōu)點，在設(shè)計中獲得廣泛應(yīng)用。本橋索面采用扇形布置，與主塔相協(xié)調(diào)。橋梁日景及夜景效果如圖2-1 。

2.3 夜景設(shè)計

夜景設(shè)計主要是突出亮化主塔，塔身為一級亮化結(jié)構(gòu)，塔鏤空與主梁形成日字形，喻為旭日東升；塔身投射柔和紫光，喻為紫氣東來；主梁為二級亮化結(jié)構(gòu)，投射波浪光，喻為翔云環(huán)繞；弱化斜拉索燈光，拉索燈光僅作為調(diào)和塔梁的輔助燈光。橋型及夜景構(gòu)思如圖2-2。

綜上，通過對橋梁造型及夜景的設(shè)計研究，利用主塔造型、索面選擇及夜景燈光投射，在當(dāng)?shù)氐臉蛄喝褐校茉煲蛔哂刑厥馕幕滋N的現(xiàn)代化橋梁。

圖2-2 橋型及夜景構(gòu)思圖

3.橋梁重要節(jié)點的設(shè)計研究

3.1 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

主橋結(jié)構(gòu)采用塔、梁、墩固結(jié)結(jié)構(gòu)形式，其它墩頂支座按橫向固定、縱向活動設(shè)置。橋梁采用有限元方法進行空間結(jié)構(gòu)分析，建立包括主梁、索塔、斜拉索和基礎(chǔ)在內(nèi)的全橋有限元模型。其中主梁、索塔采用空間梁單元，斜拉索采用只受拉桁架索單元。計算模型如下圖3-1所示。

主梁采用脊骨梁模型，通過橫向剛臂與拉索節(jié)點連接。邊墩位置主梁梁端約束豎向自由度，支承位置位于主梁實際支座處，通過鋼臂引出后支承，并約束其中一個支承點的橫橋向平動自由度。塔梁固結(jié)位置主梁與橋塔節(jié)點采用剛性連接實現(xiàn)完全耦合，主塔底部接承臺和樁基，樁基邊界采用土彈簧模擬。

經(jīng)過詳細計算，砼主梁、鋼主梁、斜拉索、主塔及下部結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。

圖3-1 主橋三維及有限元模型

3.2 主橋邊跨是否設(shè)置輔助墩的分析研究

斜拉橋采用混合梁體系，即主跨采用鋼梁，輔助跨采用砼梁的型式。該型式梁主要利用鋼梁的輕巧特性和砼梁截面較重的特點，用在輔助跨的砼梁可以很好地平衡主跨的重量，其造價也比全鋼梁或者鋼混疊合梁節(jié)省。針對主梁采用混合梁后，邊跨是否再設(shè)置輔助墩，本次從結(jié)構(gòu)受力上進行比較研究。

對于是否設(shè)置輔助墩，主要根據(jù)橋梁在活載作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)來分析?，F(xiàn)在活載作用下，分別計算有、無設(shè)輔助墩的兩種工況，分析對塔梁及斜拉索的影響，計算結(jié)果如下圖3-2和3-3。

通過對計算結(jié)果的分析得出，設(shè)置輔助墩后主梁及主塔的位移及彎矩均較小。可知設(shè)置輔助墩有利于增強結(jié)構(gòu)體系的剛度，改善邊跨內(nèi)力和減少撓度，減少主塔的橫向位移及主塔墩底彎矩，同時減少拉索應(yīng)力變幅。根據(jù)斜拉橋“塔直梁平”的設(shè)計原則，設(shè)置輔助墩的方案對結(jié)構(gòu)受力較有利，因此本次在邊跨設(shè)置一個輔助墩。

圖3-2 無設(shè)輔助墩結(jié)構(gòu)及位移圖

圖3-3 有設(shè)輔助墩結(jié)構(gòu)及位移圖

3.3 塔柱水滴分肢的分析研究

為了使主塔形成水滴造型，塔柱在距離梁頂19.1m處，縱向箱形截面分肢為雙薄壁結(jié)構(gòu)（單薄壁厚3.25m），雙薄壁凈距由頂部0.899m漸變到塔底處的2.674m。通常在橋梁整體計算中容易對該部分單元簡化為單肢計算，忽略分肢處的結(jié)構(gòu)驗算。本次分別對上塔柱和下塔柱（兩肢分不同單元）進行計算分析（對主塔結(jié)構(gòu)圖中的A～F截面進行計算）：上塔柱按柱底（橋面處）固結(jié)，尾索錨點為自由端，按2倍高度即114m取計算長度。下塔柱順向兩肢分別取內(nèi)力單獨驗算截面，計算發(fā)現(xiàn)主跨側(cè)分肢受力大，邊跨側(cè)分肢受力小。下塔柱則按兩端固結(jié)進行結(jié)構(gòu)驗算，確保橋塔結(jié)構(gòu)安全。主塔結(jié)構(gòu)如圖3-4。

3.4 塔頂筍節(jié)的分析研究

塔頂筍節(jié)設(shè)在拉索錨固區(qū)以上部分，設(shè)置三節(jié)，上節(jié)比下節(jié)單側(cè)縮窄40cm，高度節(jié)節(jié)增高，模仿新生春筍的尺寸比例，截面與主塔一致，為空心矩形，短邊為橢圓弧形。

塔頂筍節(jié)不參與受力，主要是與塔柱協(xié)調(diào)，形成節(jié)節(jié)高的景觀造型。其效果如下圖3-5。

圖3-4 主塔結(jié)構(gòu)圖

圖3-5 塔頂筍節(jié)效果圖

圖3-6 鋼錨梁結(jié)構(gòu)圖

圖3-7 鋼錨梁計算模型圖

3.5 拉索錨固的分析研究

拉索錨固是斜拉橋傳力可靠的重要結(jié)構(gòu)，錨固節(jié)點要求適應(yīng)剛度變化大的特點，應(yīng)能承受局部較大應(yīng)力，在斜拉橋設(shè)計中應(yīng)特別注重。該橋梁拉索錨固節(jié)點分塔上錨固區(qū)、砼梁錨固區(qū)及鋼箱梁錨固區(qū)。

在主塔上，斜拉索錨固在前后兩側(cè)，通過局部加強配筋，并在塔壁內(nèi)設(shè)環(huán)向?qū)A(yù)應(yīng)力高強螺桿平衡斜拉索在塔內(nèi)的水平分力；砼梁錨固區(qū)通過設(shè)置橫隔板，并在橫隔板上設(shè)預(yù)應(yīng)力平衡斜拉索在梁上的豎向分力；本橋橋面寬達32米，采用單索面比傳統(tǒng)的雙索面鋼箱梁斜拉橋受力大，主梁單根最大索力達6047kN，索梁錨固區(qū)位于鋼箱中室，由于梁的高度較低，導(dǎo)致可用于索梁錨固區(qū)的設(shè)計空間較小，因此在鋼箱梁拉索錨固區(qū)內(nèi)設(shè)置鋼錨梁作為傳力構(gòu)造。鋼錨梁由各板塊組成小長條箱型結(jié)構(gòu)，受錨固張拉空間及梁高限制，局部剪應(yīng)力較大，經(jīng)采用實體單元模型計算分析，擬定端承板厚度80mm，錨固區(qū)腹板厚度24mm（要求Z向性能），錨梁板厚度30mm，上下布置兩塊。鋼錨梁結(jié)構(gòu)圖見圖3-6。

對鋼錨梁建立模型進行分析，設(shè)計中鋼箱梁每隔3m設(shè)置一道小橫梁，因此取3m梁段作為一個標(biāo)準(zhǔn)段進行橫向分析，考慮對稱性，只建立1/2模型；約束腹板邊界豎向位移及約束對稱面橫橋向位移，模型采用midas FEA板單元，計算模型見圖3-7，鋼錨梁的正應(yīng)力及剪應(yīng)力計算結(jié)果見圖3-8及圖3-9，經(jīng)驗算，其結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖3-8 鋼錨梁σx正應(yīng)力（單位：MPa）

圖3-9 鋼錨梁 txy剪應(yīng)力（單位：MPa）

4.結(jié)束語

(1)小跨徑獨塔單索面斜拉橋在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，還具有較強的景觀效果。主塔可很好地融入當(dāng)?shù)匚幕兀m合有特色造景需求的城市橋梁。

(2)通過計算分析，通過在邊跨設(shè)置輔助墩，改善了橋梁在活載作用下的受力狀態(tài)，同時輔助墩靠近主橋下的江濱路橋梁，因此對總體景觀效果基本不影響。

(3)根據(jù)斜拉橋的受力特點，采用鋼一混凝土混合主梁，利用鋼箱梁的輕巧及輔助跨砼梁厚重，達到重力相平衡，降低了橋塔及拉索的受力，減小了主梁的高度，橋梁結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，整體輕盈美觀。

(4)針對本型式斜拉橋開展的混合梁結(jié)合段、拉索錨固段、分肢結(jié)合段等多項關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點的研究分析，獲得了理論數(shù)據(jù)，確保橋梁設(shè)計工作安全可靠。

(5)在橋型上融入地方文化元素，并從結(jié)構(gòu)上保證安全，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)與文化元素的良好結(jié)合，為同種類型的橋梁建設(shè)提供思路和積累經(jīng)驗。