淺談矮塔斜拉橋主塔方案比選

高 波， 張百永

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)100～200 m主跨跨徑范圍橋梁結(jié)構(gòu)主要采用連續(xù)剛構(gòu)橋、系桿拱橋和矮塔斜拉橋等幾種形式，而矮塔斜拉橋憑借其跨中下繞小、梁高小、施工干擾小等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于涉河涉路橋梁建設(shè)中。結(jié)合業(yè)主或地方政府要求，矮塔斜拉橋同樣作為景觀橋梁廣泛運(yùn)用于城市橋梁建設(shè)中，通過(guò)不同主塔造型打造景觀效果，并與城市景觀融為一體。常見(jiàn)矮塔斜拉橋主塔外形主要有獨(dú)柱單索面、雙柱雙索面等類型，每座橋梁在此基礎(chǔ)上根據(jù)各自主題特色分別采用不同主塔造型表達(dá)不同寓意[1-4]。本文以蚌埠市某座跨河大橋?yàn)橐劳校鶕?jù)當(dāng)?shù)匚幕厣?，選用不同主塔造型,分別從外觀、施工、受力等方面進(jìn)行綜合比選，最終確定理想主塔造型，以便類似工程參考。

1 工程概況

蚌埠市固鎮(zhèn)縣某跨河大橋是當(dāng)?shù)乜h城區(qū)域內(nèi)主要跨河通道，同時(shí)也是固鎮(zhèn)縣規(guī)劃外環(huán)路的重要組成部分，其建設(shè)對(duì)固鎮(zhèn)縣總體經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市快速建設(shè)均具有重要的建設(shè)意義。固鎮(zhèn)縣是我國(guó)三國(guó)時(shí)期垓下之戰(zhàn)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，是中國(guó)重要的漢文化發(fā)展之地。該橋作為固鎮(zhèn)縣城內(nèi)主要的過(guò)河通道，其景觀效果應(yīng)涵蓋固鎮(zhèn)縣漢文化歷史因素，突出固鎮(zhèn)縣城市建設(shè)過(guò)程中的文化因素。

該橋在固鎮(zhèn)縣跨越澮河，橋位處澮河規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)，結(jié)合通航及防洪專題結(jié)論要求，該橋主橋采用(85+145+85) m跨徑，經(jīng)橋梁橋型比選，推薦主橋采用矮塔斜拉橋。綜合考慮規(guī)劃航跡線、通航尺度、防洪等要求，合理確定橋梁跨徑及規(guī)模，全橋跨徑組成為(11×30+85+145+85+9×30)m，全長(zhǎng)921 m(含耳墻長(zhǎng)度)。主橋采用矮塔斜拉橋(圖1)，主梁采用斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，主塔采用獨(dú)塔造型(圖2)；引橋主要采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。

圖1 主橋橋型布置圖

圖2 主塔橫斷面圖

主橋主梁采用左右幅整體式單箱三室變高度連續(xù)箱梁，主塔處梁高6 m，跨中處梁高3 m，最小頂板厚度28 cm，最小底板厚度32 cm，腹板厚度為50～70 cm，最大懸臂狀態(tài)下的節(jié)段數(shù)由19個(gè)節(jié)段組成。

主橋主墩采用拱形實(shí)體墩，承臺(tái)群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為23.2 m×18.2 m×5.0 m，承臺(tái)下布置20根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁；引橋橋墩采用雙柱式橋墩，樁基礎(chǔ)，墩高12 m以內(nèi)時(shí)柱徑1.4 m，樁徑1.6 m，墩高12 m以上時(shí)柱徑1.6 m，樁徑1.8 m。

2 主塔方案比選

主塔作為矮塔斜拉橋的主要景觀部位之一，其不同造型分別體現(xiàn)了該橋不同的景觀效果。為體現(xiàn)固鎮(zhèn)縣該橋梁的景觀效果，突出固鎮(zhèn)縣漢文化元素，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主塔進(jìn)行了多個(gè)造型方案比選，現(xiàn)就其中兩個(gè)主塔造型方案進(jìn)行比選。

2.1 寶劍形主塔

利用橋梁主墩、主塔聯(lián)合設(shè)計(jì)古漢代寶劍造型，如圖3所示。主塔外觀簡(jiǎn)潔大方，穩(wěn)定性好。主塔采用寶劍形獨(dú)柱布置在中央分割帶上，塔高33 m，塔頂6 m為塔尖裝飾段；塔身設(shè)置鞍座以便拉索順利通過(guò)，主塔橫橋向?qū)挾葹?.5 m，主塔由塔尖下斷面向下15 m采用變截面設(shè)計(jì)，截面尺寸為2.5 m×3.5 m～2.5×6.5 m，下塔柱采用分支設(shè)計(jì)，分支斷面尺寸為2.5×2.2 m，塔上斜拉索理論豎向間距為1.5 m，橫向雙排布置，雙排橫向間距為1.0 m。

圖3 寶劍形主塔立面圖

2.2 “V”字形主塔

主塔采用“V”字形造型，形象表達(dá)固鎮(zhèn)縣“漢興之地，勝利之城”的城市標(biāo)語(yǔ)，寓意著固鎮(zhèn)縣近年來(lái)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的勝利發(fā)展。主塔采用獨(dú)柱塔，布置在中央分割帶上，塔高29 m，造型采用象征勝利的“V”字形；塔身設(shè)置鞍座以便拉索順利通過(guò)，主塔橫橋向?qū)挾葹?.5 m，順橋向塔根寬度為5 m，塔頂總寬度9 m，2根立柱通過(guò)主塔索鞍連接，形成“V”字形整體。塔上斜拉索理論豎向間距為1.5 m，橫向雙排布置，雙排橫向間距為1.0 m。

圖4 “V”字形主塔立面圖

2.3 主塔方案比選

為比較2個(gè)主塔方案的優(yōu)劣性，分別從受力、美觀、施工難度等方面進(jìn)行綜合比選[5-10]。

2.3.1 結(jié)構(gòu)受力

對(duì)以上2種主塔方案采用MIDAS-FEA計(jì)算軟件進(jìn)行實(shí)體模型受力分析，分別比較其塔根處應(yīng)力情況,如圖5、圖6所示。

圖5 寶劍形主塔主拉應(yīng)力圖(模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理)

圖6 “V”字形主塔主拉應(yīng)力圖

從圖5、圖6可以看出，由于寶劍形主塔兩根立柱分別位于主梁0#塊兩側(cè)，沒(méi)有與0#塊主梁下的支座對(duì)中，以致形成一個(gè)典型的“扁擔(dān)”形受力模式，從應(yīng)力圖可以看出，0#塊主梁受到的拉應(yīng)力較大，即使通過(guò)增大主梁截面的方法也不能消除拉應(yīng)力。而“V”字形主塔與支座對(duì)中，能夠較好地將上部受力直接傳遞至主橋墩。因此，從結(jié)構(gòu)受力角度來(lái)說(shuō)，“V”字形主塔受力性能相比寶劍形主塔優(yōu)越。

2.3.2 橋梁美觀

寶劍形主塔雖能直觀反映古漢代元素，但兵器造型體現(xiàn)了明顯的緊張、嚴(yán)肅、殺戮信息，不能夠體現(xiàn)固鎮(zhèn)縣開(kāi)放、活潑的城市形象。

“V”字形主塔采用象征勝利的“V”字造型，主塔外形簡(jiǎn)單大方，并與固鎮(zhèn)縣“漢興之地，勝利之城”的城市標(biāo)語(yǔ)不謀而合，形象表達(dá)了固鎮(zhèn)縣近年來(lái)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的勝利發(fā)展，寓意較好。

因此，從橋梁美觀、寓意角度比較，“V”字形主塔造型相比寶劍形主塔優(yōu)越。

2.3.3 施工難度

2種主塔方案均采用爬?，F(xiàn)澆施工，施工工藝及條件基本相當(dāng)。但是“V”字形主塔塔身逐級(jí)往外傾斜，施工模板固定難度較大，尤其是在索鞍未施工前的下塔柱部位施工難度更大，施工時(shí)還需考慮塔柱自身的穩(wěn)定性。因此，從施工難度方面考慮，寶劍形主塔相比“V”字形主塔優(yōu)越。

3 結(jié) 論

綜合以上分析，雖然“V”字形主塔施工時(shí)主塔模板固定難度大，需采取一定措施保障塔柱自身的穩(wěn)定性，但其受力簡(jiǎn)單、明確，安全性能較寶劍形主塔方案優(yōu)越，且“V”字形主塔寓意較好，能夠形象體現(xiàn)固鎮(zhèn)縣“漢興之地，勝利之城”的城市標(biāo)語(yǔ)之意，固鎮(zhèn)縣近年來(lái)城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的勝利發(fā)展，因此，推薦采用“V”字形主塔造型。