神農(nóng)湖獨(dú)塔斜拉橋設(shè)計(jì)分析

牛偉迪

［同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)精神層面的審美要求不斷提高，城市橋梁不僅需要滿足基本的交通功能，對(duì)其建筑景觀功能也提出了更高的要求。因此，橋梁的景觀造型往往成為方案設(shè)計(jì)的重要考慮因素。斜拉橋以其結(jié)構(gòu)受力性能良好、索塔造型豐富、景觀表現(xiàn)手法多樣等優(yōu)點(diǎn)而被設(shè)計(jì)師青睞[1]?，F(xiàn)以山西省長(zhǎng)治市神農(nóng)湖大橋?yàn)楸尘?，介紹其主要設(shè)計(jì)過(guò)程，為類似橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

神農(nóng)湖大橋位于山西省長(zhǎng)治市漳澤水庫(kù)國(guó)家濕地公園濱湖景觀大道，道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)車速為60 km/h。大橋全長(zhǎng)520.98 m，其中，主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，兩側(cè)連接道路的引橋?yàn)镻C連續(xù)梁；跨徑布置為（4×32.5）m+（2×130）m+（4×32.5）m。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）汽車荷載：城—A級(jí)。

（2）主橋平面位于直線段；主橋立面位于豎曲線R=11 000 m的凸曲線上，前坡、后坡為±0.5%。

（3）抗震設(shè)防要求：地震基本烈度7度；地震動(dòng)峰值加速度0.10g；橋梁抗震設(shè)防分類：主橋?yàn)榧最?，引橋?yàn)橐翌悺?/p>

（4）水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)：航道等級(jí)不通航；測(cè)時(shí)水位：900.17～900.25 m；100 a一遇最高洪水位：903.61 m。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段定位為地標(biāo)性的景觀建筑，主橋方案以“風(fēng)帆”為主題，提取其造型特點(diǎn)，結(jié)合斜拉橋的索塔與拉索，形成該橋的最終方案（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 神農(nóng)湖大橋索塔造型方案圖

圖2 神農(nóng)湖大橋鳥(niǎo)瞰效果圖

主橋采用塔梁墩固結(jié)體系-獨(dú)塔鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋；跨徑布置（2×130）m；索塔總高109 m；主梁采用分離式雙邊箱鋼箱梁，中心梁高3.5 m；斜拉索為空間雙索面密索體系，梁上標(biāo)準(zhǔn)索間距9 m，塔上索間距2.75～3.15 m；索塔基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m（見(jiàn)圖3）。

圖3 主橋立面布置圖（單位：m）

橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度：0.3 m（欄桿）+2.7 m（人行道）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（錨索區(qū)）+11 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+6 m（索塔區(qū)）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+11 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（錨索區(qū)）+3.5 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2.7 m（人行道）+0.3 m（欄桿）=47 m（見(jiàn)圖4）。

圖4 索塔處橫斷面圖（單位：m）

1.2 索塔設(shè)計(jì)

1.2.1 索塔外形

該橋索塔總高109 m，橋面以上塔高88 m。關(guān)于道路中心線和分孔線對(duì)稱布置,順橋向呈“人”字造型，立面從下至上由雙塔柱按照樣條曲線合并為獨(dú)塔柱，索塔塔壁均為空間曲面。

1.2.2 塔柱總體布置

索塔從下至上共分為12個(gè)節(jié)段，見(jiàn)圖5所示。

圖5 索塔總體布置圖（單位：m）

節(jié)段1為預(yù)應(yīng)力混凝土塔柱節(jié)段，采用單箱雙室截面，外輪廓尺寸為六邊形截面，塔壁厚度為1.2 m，中腹板厚度為1.0 m。

節(jié)段2為鋼混結(jié)合段，采用雙端板承壓的傳力方式，實(shí)現(xiàn)鋼塔柱與混凝土塔柱之間的有效傳力?；炷了摻钤趦蓪佣税迳戏峙^固，上層承壓端板板厚46 mm；下層端板鋼板厚度40 mm。同時(shí)，為保證鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的結(jié)合，采用PBL鋼筋與剪力釘組合的結(jié)合方式[2]。

節(jié)段3～節(jié)段12為鋼塔柱段，其壁板厚度根據(jù)總體計(jì)算沿塔高變化；根據(jù)壁板厚度及截面尺寸采用塔壁采用T型和板式兩種加勁形式；橫隔板沿塔柱水平布置。節(jié)段3為塔梁固結(jié)段，實(shí)現(xiàn)索塔與主梁的固結(jié)體系，索塔塔壁與主梁頂?shù)装搴附?，并增加兩道腹板加?qiáng)受力；節(jié)段4為上塔柱雙柱段；節(jié)段5、節(jié)段6為分叉合并段，索塔在該段由雙柱合并為單柱；節(jié)段8～節(jié)段11為索塔錨固段，對(duì)稱布置24對(duì)拉索錨固結(jié)構(gòu)，節(jié)段12為索塔塔冠。

1.2.3 索塔截面

索塔采用多邊形截面，其雙塔柱段主受力截面為6邊形截面，合并后單塔柱主受力截面為10邊形；鋼塔柱順橋向兩側(cè)采用圓弧板進(jìn)行裝飾。索塔特征截面見(jiàn)圖6～圖8所示。

圖6 索塔混凝土及鋼混結(jié)合段斷面圖（單位:m）

圖8 索塔鋼結(jié)構(gòu)單柱段斷面圖（單位:m）

1.2.4 索塔錨固構(gòu)造

索塔錨固結(jié)構(gòu)采用鋼錨管形式錨固斜拉索；在拉索平面內(nèi)設(shè)置上下兩道錨板用于輔助錨管傳力，分別與壁板和隔板焊接；錨板設(shè)置翼緣板。錨管端部設(shè)置兩塊矩形承壓板。錨固隔板間距根據(jù)斜拉索安裝空間需求，采用不等間距布置（見(jiàn)圖9）。

圖7 索塔鋼結(jié)構(gòu)雙柱段斷面圖（單位:m）

圖9 錨固構(gòu)造軸側(cè)示意圖

1.3 主梁設(shè)計(jì)

1.3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁總寬47 m，采用雙邊箱及橫梁組成的π型斷面，兩側(cè)邊箱為單箱雙室截面，主梁整體關(guān)于索塔中心線對(duì)稱布置。主梁中心梁高3.5 m；兩側(cè)邊箱寬度均為9 m，邊箱中心距為32 m；挑臂長(zhǎng)3m。主梁頂、底板箱室內(nèi)均采用U型加勁肋；頂板懸臂位置采用平鋼板加勁肋；主梁頂板靠近索塔處設(shè)置一道倒T小縱梁（見(jiàn)圖10）。

圖10 主梁標(biāo)準(zhǔn)段截面圖（單位：m）

1.3.2 主梁節(jié)段劃分及主要尺寸

主梁由索塔至梁端劃分為A、B、C1～3、D、E共計(jì)7種類型，節(jié)段劃分如圖11所示。

圖11 主梁節(jié)段劃分圖（節(jié)段尺寸單位：m；板厚單位：mm）

1.3.3 主梁錨固構(gòu)造

主梁采用錨箱式錨固，錨箱安裝在主梁中腹板外側(cè)，并與其焊成一體。斜拉索拉力通過(guò)錨箱的錨固板傳遞給主梁腹板，主梁腹板和承壓板內(nèi)側(cè)均設(shè)置了補(bǔ)強(qiáng)板，以利于錨固處的應(yīng)力合理分散到主梁上。

1.4 斜拉索

主橋采用密索體系，共對(duì)稱布置設(shè)置24對(duì)斜拉索，斜拉索梁端間距為11×9 m；塔端根據(jù)張拉斜拉索角度和張拉空間等因素，采用不等間距布置，間距由下至上為（3.1+3+2.9+8×2.75）m；斜拉索采用規(guī)格為PES7-121的平行鋼絲斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 770 MPa；全橋共48根。

2 基于CATIA的索塔BIM正向設(shè)計(jì)

主橋索塔設(shè)計(jì)過(guò)程具有以下難點(diǎn)：

（1）方案到施工圖階段，索塔造型尺寸需在受力和外觀兩方面進(jìn)行協(xié)調(diào)；

（2）索塔為三維空間曲面異形塔造型,設(shè)計(jì)放樣難度較大；

（3）索塔錨固構(gòu)造由于空間曲面和斜拉索角度不同，導(dǎo)致其構(gòu)造設(shè)計(jì)復(fù)雜；

（4）塔內(nèi)各細(xì)部構(gòu)件相互關(guān)聯(lián)、容易發(fā)生碰撞。

采用基于CATIA的索塔BIM正向設(shè)計(jì)可以解決上述難點(diǎn)，有效地降低設(shè)計(jì)難度[3]。

2.1 索塔外形設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)階段，索塔尺寸擬定時(shí)需兼顧結(jié)構(gòu)受力和整體造型的需要。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在根據(jù)計(jì)算和景觀效果對(duì)索塔尺寸進(jìn)行調(diào)整的反復(fù)過(guò)程。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，橋塔尺寸可根據(jù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)調(diào)整且整體效果隨時(shí)可見(jiàn)，使得優(yōu)化過(guò)程方便快捷有效，保證索塔的設(shè)計(jì)效果。塔壁空間曲面可在模型中直接生成（見(jiàn)圖12）。

圖12 索塔外形設(shè)計(jì)圖

2.2 錨固構(gòu)造參數(shù)化設(shè)計(jì)

索塔錨固構(gòu)造采用鋼錨管+錨板的結(jié)構(gòu)形式。由于索塔為空間曲面異形塔，因此全橋共12組（M1~M12）構(gòu)造相似但尺寸和角度均不同的錨固構(gòu)造。

在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，以最長(zhǎng)索M12錨固構(gòu)造為模板，設(shè)置斜拉索角度、出索點(diǎn)位置等為基礎(chǔ)參數(shù)，通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)參數(shù)批量生成其余錨固構(gòu)造。由于角度關(guān)系，M1、M2錨固構(gòu)造無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)模板生成，故只能進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖13~圖15）。

圖13 索塔錨固構(gòu)造總體模型

圖14 索塔錨固構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模型

圖15 索塔錨固構(gòu)造特殊模型

同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可直觀檢查發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)構(gòu)件是否相互碰撞，進(jìn)而通過(guò)修改參數(shù)即可調(diào)整各構(gòu)件的空間關(guān)系，有效地避免構(gòu)件發(fā)生碰撞，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

2.3 索塔二維表達(dá)

為了更好地將三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維圖紙表達(dá)，該橋索塔外形及構(gòu)造在繪圖時(shí)以控制點(diǎn)三維坐標(biāo)為基礎(chǔ)，并根據(jù)索塔壁板、橫隔板、加勁肋、錨固結(jié)構(gòu)等構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行定位放樣。

索塔控制點(diǎn)局部坐標(biāo)系定義如下：（1）原點(diǎn)在道路中心線與主橋分孔線交點(diǎn)且85國(guó)家高程系統(tǒng)為+897.777處；（2）X軸為順橋水平方向，正向指向大樁號(hào)方向；（3）Y軸為橫橋水平方向，向西為正；（4）Z軸為豎向，向上為正（見(jiàn)圖16）。

圖16 索塔局部坐標(biāo)系示意圖

節(jié)段1～節(jié)段4以控制點(diǎn)0～4為基礎(chǔ)進(jìn)行放樣，節(jié)段5～節(jié)段6以控制點(diǎn)0～8為基礎(chǔ)放樣；節(jié)段7～節(jié)段12以控制點(diǎn)0～2、7～8、5～6為基礎(chǔ)放樣。索塔三維坐標(biāo)可由CATIA軟件直接導(dǎo)出（見(jiàn)圖17）。

圖17 索塔節(jié)段控制點(diǎn)位置圖

索塔主受力截面的控制點(diǎn)為：索塔斷面相鄰壁板外邊線延長(zhǎng)線的虛交點(diǎn)，共計(jì)控制點(diǎn)1～8；索塔裝飾板的控制點(diǎn)0為裝飾圓弧板的頂點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)大樣見(jiàn)圖18所示。

圖18 索塔控制點(diǎn)大樣圖

結(jié)合索塔的構(gòu)造特點(diǎn)和三維模型正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，索塔節(jié)段圖紙采用“總體定位+三維控制點(diǎn)坐標(biāo)+軸側(cè)示意圖+板件投影圖+特征截面”的表達(dá)方式（見(jiàn)圖19），不僅可以使讀圖者方便直觀地理解三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)索塔的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)可保證板件制作安裝時(shí)的精度要求。

圖19 索塔節(jié)段圖

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 總體計(jì)算概況

主橋整體結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算采用Midas/Civil空間桿系有限元方法進(jìn)行計(jì)算，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?jiǎn)卧崩鞑捎弥皇芾旒軉卧?，并?jì)入由于垂度效應(yīng)引起的彈性模量折減。主梁采用雙主梁模型，并計(jì)入小縱梁對(duì)橫向剛度的影響，主梁通過(guò)橫向剛臂與拉索節(jié)點(diǎn)連接。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖20所示。

3.2 總體靜力計(jì)算

計(jì)算荷載考慮了永久作用包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、基礎(chǔ)變位、混凝土收縮徐變，以及可變作用包括：車道荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載?？傮w靜力計(jì)算對(duì)以下方面進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明，受力滿足規(guī)范要求[4-5]：

（1）主梁、主塔承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算；

（2）主梁、主塔正常使用狀態(tài)驗(yàn)算；

（3）主梁疲勞驗(yàn)算；

（4）斜拉索承載能力及疲勞應(yīng)力幅；

（5）腹板、加勁肋等構(gòu)件局部穩(wěn)定驗(yàn)算；

（6）整體穩(wěn)定驗(yàn)算；

（7）短暫工況施工階段及換索工況驗(yàn)算；

（8）斷索偶然工況驗(yàn)算；

（9）施工階段主橋驗(yàn)算。

3.3 索塔局部分析

索塔分叉合并段及塔梁固結(jié)段構(gòu)造復(fù)雜（見(jiàn)圖21），有必要對(duì)其受力特性進(jìn)行具體分析。

圖21 索塔三維示意圖

采用有限元軟件ANSYS建立節(jié)段局部模型，為減小邊界效應(yīng)的影響，對(duì)塔柱節(jié)段3（塔梁固結(jié)段）、節(jié)段4（下塔柱雙柱段）、節(jié)段5（分叉合并段）、節(jié)段6（合并段）及部分主梁進(jìn)行建模；采用自底向上的建模方式，利用BIM三維模型導(dǎo)出索塔的高精度三維坐標(biāo)生成關(guān)鍵點(diǎn)，再進(jìn)一步連成線并生成索塔平面，形成幾何模型，采用三角形網(wǎng)格劃分模型生成有限元模型進(jìn)行驗(yàn)算；模型采用彈性殼單元（shell63）和質(zhì)量單元（Mass21）。

在索塔頂端和梁端，利用主從節(jié)點(diǎn)形成剛性面，根據(jù)總體計(jì)算的結(jié)果，選取最不利工況將結(jié)構(gòu)內(nèi)力施加于主節(jié)點(diǎn)處；在塔梁固結(jié)段底部的節(jié)點(diǎn)施加全固結(jié)約束。索塔局部三維模型見(jiàn)圖22所示。

圖22 索塔局部有限元模型

根據(jù)計(jì)算，除節(jié)段3塔壁壁板與主梁上下底板連接處、節(jié)段5的塔壁中間拐角處，以及橫隔板與塔壁連接處，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象外，節(jié)段3（塔梁固結(jié)段）構(gòu)件等效應(yīng)力小于225 MPa，節(jié)段5（分叉合并段）構(gòu)件等效應(yīng)力小于200 MPa；索塔節(jié)段3（塔梁固結(jié)段）和節(jié)段5（分叉合并段）受力安全可靠。

4 橋梁施工

主塔利用塔吊采用節(jié)段拼裝施工，主梁采用支架+吊裝施工，待主塔和主梁施工完成后進(jìn)行拉索安裝及張拉，實(shí)施二期荷載后進(jìn)行調(diào)索，使成橋內(nèi)力和線形等滿足設(shè)計(jì)要求。施工步驟如下：

（1）人工筑島+棧橋施工；場(chǎng)地整平、支架范圍平整、硬化。

（2）索塔基礎(chǔ)處進(jìn)行鋼板樁圍堰，施工樁基、承臺(tái)；塔吊基礎(chǔ)施工。

（3）主墩承臺(tái)搭設(shè)下塔柱支架并預(yù)壓；利用履帶吊開(kāi)始拼裝塔吊。

（4）施工索塔塔座、下塔柱混凝土段和鋼-混凝土結(jié)合段；利用履帶吊拼裝塔吊至獨(dú)立高度。

（5）由履帶吊配合塔吊、吊裝拼接索塔鋼結(jié)構(gòu)部分；同步搭設(shè)主梁支架并預(yù)壓。

（6）由履帶吊配合塔吊，支架吊裝拼接主梁階段；分塊澆筑橋面UHPC。

（7）由索塔至梁端方向依次對(duì)稱安裝斜拉索并張拉；由索塔至梁端依次對(duì)稱拆除主梁支架；施工除瀝青混凝土鋪裝以外所有的二期附屬工程。

（8）由索塔至梁端方向依次對(duì)稱調(diào)節(jié)索力；施工瀝青鋪裝；拆除塔吊等施工設(shè)施，河道恢復(fù)；全橋貫通，準(zhǔn)備通車。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以山西省長(zhǎng)治市神農(nóng)湖大橋?yàn)楸尘?，?duì)大橋的方案構(gòu)思、總體設(shè)計(jì)，以及對(duì)索塔、主梁、斜拉索、錨固構(gòu)造等主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹；接著，介紹了基于CATIA的索塔BIM正向設(shè)計(jì)過(guò)程，包括索塔外形、錨固構(gòu)造在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)參數(shù)化的運(yùn)用，并簡(jiǎn)要說(shuō)明了三維空間索塔結(jié)構(gòu)二維圖紙的表達(dá)方法；然后，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體靜力分析和局部分析，結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)算結(jié)果滿足要求；最后，介紹了該橋的施工方案。其研究成果可為同類橋梁的設(shè)計(jì)、計(jì)算提供建議和參考。