肇慶新區(qū)現(xiàn)代城市景觀橋及拉索的選型

陳昱鵬，鐘 屹，覃巍巍，梁 冰

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545006）

1 橋型方案

橋梁作為物質(zhì)文明與精神文明的載體，對(duì)城市具有顯著的地標(biāo)作用。城市橋梁的美是環(huán)境美的一部分，以橋梁和橋位周邊環(huán)境為“景觀主體”或“景觀載體”而創(chuàng)造的景觀（廣義上的），通過橋梁景觀CI（corporate identity）整體表現(xiàn)體系（尤其是視覺識(shí)別系統(tǒng)和理念識(shí)別系統(tǒng)），傳達(dá)橋梁美、橋文化、橋精神，使觀者在橋及橋域的“景”與“觀”的互動(dòng)過程中，對(duì)橋及橋所處區(qū)域的人文、自然、社會(huì)環(huán)境等產(chǎn)生一致的認(rèn)知感和價(jià)值感，達(dá)到人、橋、環(huán)境的和諧統(tǒng)一[1]。著名橋梁專家茅以升說：橋梁是“形成中國文化史上的里程碑”的特殊建筑，這說明橋梁包含了物質(zhì)和精神兩大功能[2]，使橋梁景觀往往成為城市文化的聚焦及城市形象的窗口。

不同的橋型有其自身的美學(xué)特點(diǎn)和價(jià)值，給人不同的美學(xué)感受。如何認(rèn)識(shí)和把握這種美，是橋型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[3]。下面對(duì)國內(nèi)幾種主要橋型特點(diǎn)簡(jiǎn)要說明。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)由連續(xù)跨過3個(gè)以上支座的梁作為主要承重結(jié)構(gòu)，造型樸實(shí)，投資造價(jià)便宜。

拱橋，是在豎直平面內(nèi)以拱作為結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。拱橋是向上凸起的曲面，其最大主應(yīng)力沿拱橋曲面作用，沿拱橋垂直方向的最小主應(yīng)力為零。拱橋是我國傳統(tǒng)特色的一種橋型，造型優(yōu)美，整體造價(jià)適中。

斜拉橋,是將橋面用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔，受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系，其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。拉索按斜向直線布置，以簡(jiǎn)單的直線形狀構(gòu)成強(qiáng)勁、挺拔的動(dòng)勢(shì)，形態(tài)和造型的多種多樣是斜拉橋顯著的特征[3]。斜拉橋既是人們所看到的一種由構(gòu)件組成的力學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)又是具有信號(hào)作用和多種象征含義的一種標(biāo)記[4]。斜拉橋整體造價(jià)適中。

懸索橋，是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。懸索橋橫越長(zhǎng)空，規(guī)模壯觀，輕柔空透，美學(xué)效應(yīng)豐富，高揚(yáng)的索塔，充滿張力的纜索，使橋梁洋溢著大氣、輕靈的美[3]。懸索橋雖然宏偉，但是造價(jià)最貴。

在連續(xù)梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋4種主要橋梁中，懸索橋其主要適合用于大跨度型的橋梁結(jié)構(gòu)，造價(jià)很高，如城市內(nèi)無跨江跨海大跨度需求，從經(jīng)濟(jì)上考慮一般不建議采用。因此本項(xiàng)目從最經(jīng)濟(jì)的連續(xù)梁橋、拱橋和斜拉橋中考慮。

肇慶是國家歷史文化名城，文化底蘊(yùn)深厚，嶺南氣息濃郁，乃嶺南文化的發(fā)祥地之一。同時(shí)，肇慶也是中國優(yōu)秀旅游城市、國家園林城市、國家衛(wèi)生城市、國家環(huán)境保護(hù)模范城市。新區(qū)環(huán)路跨長(zhǎng)利涌大橋位于肇慶新區(qū)的門戶位置，并處于新區(qū)核心區(qū)，橋梁景觀要求較高[5]。設(shè)計(jì)結(jié)合拱橋和斜拉索的造型特點(diǎn)，推薦方案設(shè)計(jì)為拱形橋塔不等跨獨(dú)塔斜拉橋，方案二為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。

1.1 推薦方案—獨(dú)塔斜拉橋[5]

大橋作為新區(qū)的重要門戶地標(biāo)構(gòu)筑，以門拱的形態(tài)為靈感進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體造型現(xiàn)代、簡(jiǎn)潔、大氣，與自然生態(tài)的河道景觀形成交相輝映、相互襯托關(guān)系。并且，主跨的橋腹與橋塔設(shè)計(jì)成一體化的造型，以水平方向向中間延伸，并向天際展開，象征著肇慶核心區(qū)的承古爍今，繼承與發(fā)展。新區(qū)門拱的設(shè)計(jì)不但彰顯了肇慶地方經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的勢(shì)頭，更加展現(xiàn)出了肇慶人民對(duì)家鄉(xiāng)的強(qiáng)烈自豪感。

方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為密索體系雙索面獨(dú)塔斜拉橋，橋梁跨徑布置為100 m+60 m=160 m。根據(jù)道路橫斷面布置，該橋?yàn)閱畏贾茫瑯?biāo)準(zhǔn)段橋面全寬44 m，主橋面積7 040 m2（見圖1）。

圖1 雙索面獨(dú)塔斜拉橋效果圖

1.2 比較方案——預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[5]

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以其簡(jiǎn)潔的線形、明確的受力模式、成熟的施工工藝，以及較低的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成為工程界廣泛應(yīng)用的橋型之一。本次設(shè)計(jì)對(duì)常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出整體造型優(yōu)美，局部細(xì)節(jié)有特點(diǎn)的橋型方案。該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為大跨度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，橋跨布置為 48 m+64 m+48 m=160 m。根據(jù)道路橫斷面布置，該橋分為左右兩幅布置，橋面全寬41 m，主橋面積6 560 m2（見圖2）。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋效果圖

1.3 橋型方案造價(jià)

橋梁建設(shè)不能只關(guān)注設(shè)計(jì)方案的造型特點(diǎn)，還需考慮經(jīng)濟(jì)性，因此需從景觀、河道影響、后期維護(hù)、通車運(yùn)營受力等多維度考慮。斜拉橋同預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案對(duì)比見表1。

表1 方案比較表[5]

相對(duì)于連續(xù)梁橋而言，該項(xiàng)目獨(dú)塔斜拉橋方案雖然其造價(jià)比較高，但其受力效果好，對(duì)河道影響很小，不影響通航，橋梁整體造型好。拱形的橋塔與新區(qū)環(huán)路位于肇慶新區(qū)門戶位置，橋梁整體景觀效果與濕地公園的園區(qū)設(shè)計(jì)主題相協(xié)調(diào)，能夠成為園區(qū)的核心建筑物[5]，故在能承受的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，推薦采用獨(dú)塔斜拉橋方案。

2 斜拉索方案選擇

作為斜拉橋的主要承載構(gòu)件，斜拉索一直是斜拉橋修建者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前斜拉橋拉索最常用索體結(jié)構(gòu)采用鋼絲拉索和鋼絞線拉索兩種。兩種結(jié)構(gòu)的拉索從防腐性能方面進(jìn)行比較后進(jìn)行選擇。

2.1 鋼絲拉索

鋼絲拉索由直徑為7 mm的鍍鋅鋼絲，在縱向以4°的螺旋角扭絞而成，鋼絲外纏包高強(qiáng)纖維帶，然后外面熱擠HDPE，在工廠預(yù)制成成品索。其結(jié)構(gòu)示意見圖3。

2.2 鋼絞線拉索

鋼絞線拉索自由段由7絲鋼絞線組合而成，外包HDPE護(hù)套管。單根鋼絞線鍍鋅或噴涂環(huán)氧后外包PE護(hù)套，進(jìn)行單根獨(dú)立防腐。其結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖3 鋼絲拉索橫截面圖

圖4 平行鋼絞線索的自由段和獨(dú)立防腐鋼絞線的詳細(xì)構(gòu)造圖

2.3 防腐性能對(duì)比

（1）鋼絞線拉索防腐層為4層（鍍鋅層或環(huán)氧層+防腐油脂或石蠟+單根絞線HDPE護(hù)套+整束鋼絞線無黏結(jié)筋HDPE外護(hù)套），平行鋼絲拉索防腐層只有2層（鍍鋅層或環(huán)氧層+雙層HDPE外護(hù)套）。根據(jù)國際后張協(xié)會(huì)FIB和CIP要求，至少3層防腐層（鍍鋅層或環(huán)氧層+防腐油脂或石蠟+HDPE護(hù)套）方能保證百年壽命。

（2）鋼絲拉索HDPE外護(hù)套易開裂。平行鋼絲拉索索體HDPE外護(hù)套附著于索體上而參與了拉索受力變形，索體HDPE外護(hù)套始終處于有應(yīng)力狀態(tài)下工作,初始應(yīng)力達(dá)到3～5 MPa，絕大多數(shù)工況還存在交變拉應(yīng)力，索體HDPE普遍提前產(chǎn)生應(yīng)力作用破壞而開裂。鋼絞線拉索HDPE外護(hù)套與無黏結(jié)絞線之間是中空的，HDPE外護(hù)套不參與結(jié)構(gòu)受力，HDPE外護(hù)套拉應(yīng)力很低，幾乎可以忽略不計(jì)，HDPE外護(hù)套不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力開裂，壽命大大增強(qiáng)。在使用壽命上，平行鋼絲拉索預(yù)計(jì)為30 a，但不少斜拉橋10 a不到已換索，病害多；鋼絞線斜拉素預(yù)計(jì)壽命為50 a，到目前為止，出現(xiàn)病害造成換索暫無先例。從以上對(duì)比可以看出，鋼絞線拉索具有較大的優(yōu)勢(shì)[4]。

（3）任何索體在實(shí)際工程或使用中，盡管采取多種措施，索體HDPE外護(hù)套還是不可避免會(huì)存在破損、開裂現(xiàn)象（人為或自然老化），平行鋼絲斜拉索索體HDPE外護(hù)套一旦破損進(jìn)水，索體中鋼絲總會(huì)受到腐蝕。一處破損，全部鋼絲都會(huì)受到銹蝕感染的疽蝕效應(yīng)，迅速降低整根拉索的安全使用性能，導(dǎo)致提前換索。鋼絞線斜拉索的索體是單根無粘結(jié)防護(hù)處理，即使索體HDPE外護(hù)套損壞，但HDPE外護(hù)套內(nèi)的鋼絞線無黏結(jié)筋仍能有效地保護(hù)鋼絞線，甚至某些無粘結(jié)筋鋼絞線受損的情況下，由于是單根絞線無黏結(jié)獨(dú)立防腐，也不會(huì)影響同束中的其他無黏結(jié)鋼絞線，故不影響鋼絞線斜拉索的安全性能。

（4）由于鋼絲與鋼絲之間存在縫隙，平行鋼絲斜拉索由于毛細(xì)作用容易導(dǎo)致鋼絲受到腐蝕，尤其是在橋面積水、錨固端防水不嚴(yán)的情況下，平行鋼絲斜拉索內(nèi)極易因毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)水，索體防護(hù)性能差，耐久性不高，導(dǎo)致提前換索。鋼絞線拉索由于索體鋼絞線是無黏結(jié)防護(hù)，無黏結(jié)筋內(nèi)的防腐油脂充滿了鋼絞線各根鋼絲間的間隙，索體將不會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，大大延長(zhǎng)了索體壽命。

（5）平行鋼絲拉索HDPE外護(hù)套破損修復(fù)困難。平行鋼絲拉索外護(hù)套一旦破損，很難修補(bǔ)。修補(bǔ)一般是焊接修補(bǔ)或纏包修復(fù)。焊接修復(fù)時(shí)間一長(zhǎng)，焊接處由于應(yīng)力集中將重新開裂；纏包修復(fù)時(shí)間一長(zhǎng)，也將失效，鍍鋅鋼絲索體安全性能嚴(yán)重降低，導(dǎo)致提前換索。鋼絞線拉索HDPE外護(hù)套破損，很容易更換，只要將HDPE外護(hù)套去除，另外安裝哈弗外護(hù)套（即“half sheel”，意為分瓣式套管，兩瓣可扣緊式），內(nèi)部無黏結(jié)鋼絞線索體不受任何影響。

（6）后期維護(hù)。在傳統(tǒng)的斜拉橋設(shè)計(jì)、施工、使用過程中，盡管設(shè)計(jì)、施工、使用者對(duì)斜拉橋的關(guān)鍵部位，如斜拉索，采取了各種防腐、減隔振措施，但由于方法、工藝、材料、構(gòu)造細(xì)節(jié)等不合理，使得斜拉索腐蝕退化和振動(dòng)疲勞衰減已經(jīng)成為制約斜拉橋使用壽命的關(guān)鍵因素。如著名的Maracaibo橋及K0hlbrandEstuary橋：前者在使用16 a時(shí)換索，耗資5 000萬美元，換索工期達(dá)2 a；后者在運(yùn)營3 a就更換全部拉索，耗資600萬美元，為原造價(jià)的4倍。國內(nèi)的廣州海印大橋?yàn)橹锌?75 m的3跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，1988年12月建成通車，拉索由258根?5mm鍍鋅鋼絲組成，PE套管防護(hù)，其間壓注了水泥漿，套管外再纏包環(huán)氧樹脂，采用玻璃鋼外殼層，由于防護(hù)出現(xiàn)問題，1995年5月出現(xiàn)拉索斷落和松馳，之后，對(duì)186根拉索全部更換，換索耗資2 000萬元，工期半年[6]。從這些數(shù)據(jù)可以看出，采用不同的拉索體系，必然帶來不同的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，從而使生命周期造價(jià)有較大的不同。根據(jù)平行鋼絲拉索及鋼絞線拉索的預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)生命周期，以全橋100 a的設(shè)計(jì)周期，平行鋼絲拉索體系需換索2～3次，而鋼絞線拉索僅需一次，采用鋼絞線拉索可大大降低斜拉橋的生命周期造價(jià)[7]。

根據(jù)以上比較，鋼絞線拉索整體比鋼絲拉索性能更優(yōu)異，故在斜拉橋的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量選擇鋼絞線拉索體系。該項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)方案采用鋼絞線拉索。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算[5]

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS橋梁結(jié)構(gòu)空間分析軟件對(duì)全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，主塔采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬計(jì)算，主梁采用梁格法等效為梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬計(jì)算，拉索采用桁架單元進(jìn)行模擬分析。邊界條件為下部結(jié)構(gòu)采用樁-土彈簧等效模擬，在主梁的兩端按簡(jiǎn)支梁支撐型式進(jìn)行模擬分析（見圖5）。

圖5 主橋計(jì)算模型圖

3.2 計(jì)算荷載

3.2.1 材料

混凝土橋塔、混凝土主梁采用C50混凝土。

鋼梁（包括鋼橋塔、鋼主梁、次縱梁、拉索橫梁和次橫梁）采用Q345鋼材，拉索采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉索。

下部結(jié)構(gòu)承臺(tái)采用C40混凝土，樁基采用C30混凝土。

3.2.2 計(jì)算荷載

（1）自重

混凝土容重取26kN/m3，鋼材容重取78.5 kN/m3。

（2）二期恒載

橋面鋪裝：0.1×24+0.1×26=5 kN/m2。

中央分隔帶護(hù)欄及機(jī)動(dòng)車道與非機(jī)動(dòng)車道之間防撞護(hù)欄：5 kN/m。

人行道內(nèi)側(cè)護(hù)欄：2 kN/m；人行道外側(cè)欄桿：3.5 kN/m2。

過橋水管：18.8 kN/m；電纜及支架：11.2 kN/m。

（3）溫度

結(jié)構(gòu)整體升溫20℃，整體降溫25℃，考慮索、梁溫差±10℃，考慮混凝土主塔日照溫差±5℃，混凝土主梁日照升溫5℃，降溫5℃。

（4）支座沉降

考慮下部結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊墩及中墩沉降1 cm。

（5）活載

汽車活荷載按城A車道荷載，雙向8車道，計(jì)算得偏載系數(shù)1.1，按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）計(jì)車道折減系數(shù)和沖擊系數(shù)，人群荷載按2.7 kN/m2計(jì)入。

（6）收縮徐變

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）考慮。

（7）風(fēng)荷載

按廣州地區(qū)百年重現(xiàn)期風(fēng)速31.3 m/s，C類地貌計(jì)算。

圖6 成橋索力分布圖（單位：kN）

3.3 合理成橋狀態(tài)

在成橋狀態(tài)下，主跨拉索索力為3397～4409kN，邊跨索力為3 348～3 788 kN，拉索采用強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線拉索，規(guī)格250-43和250-55，公稱破斷索力分別為11 197 kN和14 322 kN?？紤]活荷載及其他可變荷載作用，在1+1標(biāo)準(zhǔn)組合下最大索力為4 687 kN，拉索最小安全系數(shù)滿足拉索安全系數(shù)2.8，滿足規(guī)范中拉索最小安全系數(shù)大于2.5的要求。拉索索力值見表2。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看到，拉索在正常使用荷載作用下構(gòu)件受力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

隨著國家加快推進(jìn)城市化進(jìn)程，加大城市建設(shè)力度，現(xiàn)在越來越多的城市開始建設(shè)新開發(fā)區(qū)，往往把橋梁作為新區(qū)的重要門戶地標(biāo)構(gòu)筑，這樣對(duì)其景觀要求提出了更高的要求。本文通過肇慶新區(qū)環(huán)路跨長(zhǎng)利涌大橋選型介紹，可以看到斜拉索受力好，對(duì)通航影響小，具有震撼的視覺效果，可以變換設(shè)計(jì)出許多特異造型，景觀效果好，非常符合現(xiàn)代城市建設(shè)要求。特別是鋼絞線斜拉索，其又具有耐腐性高的特點(diǎn)，所以在現(xiàn)代化城市建設(shè)中橋梁選型可以優(yōu)先考慮采用鋼絞線斜拉索。

表2 斜拉索計(jì)算內(nèi)力匯總kN