鴨蛋拱形橋塔的三岔形人行景觀斜拉橋設(shè)計

徐金法

(江蘇交通工程咨詢監(jiān)理有限公司，南京 211800)

隨著鋼化夾膠玻璃技術(shù)的不斷完善，水族館、景觀橋、觀景臺以及懸空棧道等建筑設(shè)施廣泛運用該類新技術(shù)相關(guān)材料。隨著橋梁設(shè)計水平的提高,設(shè)計師們更加關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)的美學(xué)特性；近年來旅游業(yè)的快速發(fā)展也推動了風(fēng)景區(qū)內(nèi)景觀玻璃橋梁的建造[1-3]。

雞鳴三省大峽谷地處云南、四川和貴州接壤之地，赤水河和渭河劈崖交匯，蜿蜒曲折，從雞鳴三省谷底噌吰而過[4]。雞鳴三省大峽谷常出現(xiàn)霧溢長河、山纏霧帶、峽谷漲水、斜陽穿峽、跨省彩虹等巧奪天工的獨特奇觀，極大地增添了雞鳴三省的神秘魅力[5]。

為將生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，充分利用地域景觀資源，雞鳴三省大峽谷需建設(shè)人行景觀玻璃橋。傳統(tǒng)的直線形景觀玻璃橋不能適應(yīng)雞鳴三省大峽谷的地形地貌，需建設(shè)一座三岔形人行景觀玻璃橋[6-8]，從而推動當(dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟的發(fā)展。

本項目提出一種三岔形橋面的人行景觀玻璃斜拉橋方案，該斜拉橋塔改良為鴨蛋拱形橋塔，橋面形式采用環(huán)形三岔交叉橋面，橋面中央設(shè)置一個巨大的圓形觀光天井，橋面加勁梁為變截面魚腹梁結(jié)構(gòu)，橋面板為透明的鋼化夾膠玻璃，欄桿為銀色金屬欄桿。空間斜拉纜索交錯懸吊玻璃橋面，形成造型獨特的三岔形人行景觀玻璃斜拉橋，同時進一步提升雞鳴三省大峽谷景區(qū)的人文內(nèi)涵。

結(jié)合雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋的設(shè)計，開展三岔形人行景觀玻璃斜拉橋的構(gòu)形研究，進行工程參數(shù)設(shè)計，并建立MIDAS有限元模型，開展動力模態(tài)研究，以便驗證三岔形人行景觀玻璃斜拉橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

1 構(gòu)型研究

雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋的三岔形橋面由直線段橋面和曲線過渡段橋面組成，直線段橋面互成120°，三個直線段橋面經(jīng)由圓弧狀曲面過渡段連接，橋面中心設(shè)置巨大的圓形觀光天井，橋面中心點至鴨蛋拱形橋塔根部中心線距離為100 m。

改革傳統(tǒng)人行景觀斜拉橋結(jié)構(gòu)，采用鴨蛋拱形橋塔代替門式橋塔結(jié)構(gòu)，鴨蛋拱形橋塔由上部拋物線和左右橢圓弧線組成，造型美觀，可提升人行懸索橋的景觀品位。

雞鳴三省大峽谷的三岔形橋面人行景觀玻璃斜拉橋的構(gòu)造對景觀橋塔設(shè)計提出了新的要求，傳統(tǒng)斜拉橋門式橋塔既不能滿足空間纜索的固定需求也略顯沉悶，為更好地配合空間斜拉纜索網(wǎng)、豐富景觀橋?qū)哟胃?，該設(shè)計采用造型美觀的鴨蛋拱形橋塔，鴨蛋拱形橋塔的幾何構(gòu)形如圖1所示。

圖1 鴨蛋拱形橋塔的幾何構(gòu)形

鴨蛋拱形橋塔與通常的拋物線拱形橋塔不同，拋物線拱形橋塔的下部是發(fā)散向外扒開的造型，鴨蛋拱形橋塔的下部是向內(nèi)收斂的造型。鴨蛋拱形橋塔占地面積更少，適合窄小的山區(qū)景觀平臺環(huán)境。

鴨蛋拱形構(gòu)型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)新奇、輕盈，外形流暢且形式多變，根據(jù)實際需求方便修改，可廣泛適用于各類景觀橋梁的橋塔設(shè)計，雞鳴三省大峽谷人行玻璃斜拉橋采用別具新意的鴨蛋拱形橋塔可以協(xié)調(diào)景區(qū)環(huán)境。隨橋面曲線變化，靠近橋面中心圓處的加勁梁跨度較大，采用魚腹式變截面鋼梁，以達到增大截面高度而不過多增加自重和耗材的目的，同時也豐富了峽谷仰視的橋面景觀。三岔形曲線橋面和曲線形鴨蛋拱形橋塔二者曲線造型可與雞鳴三省大峽谷環(huán)境協(xié)調(diào)，建筑搭配合理，優(yōu)勢互補，是結(jié)構(gòu)學(xué)和建筑學(xué)的理想結(jié)合。三岔形曲線橋面交通流暢，三個巨型鴨蛋拱形橋塔門洞象征三省門戶。雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋如圖2所示。

圖2 雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋

2 有限元模型的建立

雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋橋面中心點至鴨蛋拱形橋塔底部水平距離為100 m，引橋跨度均為24 m。鴨蛋拱形橋塔采用鋼管混凝土橋塔結(jié)構(gòu)，鋼管直徑為2.5 m，鋼管壁厚為18 mm，內(nèi)灌C40混凝土，鴨蛋拱形橋塔傾斜角度為15°，最高處為55 m，橋塔最寬處為40 m，其中拋物線段塔頂?shù)膶挾葹?0 m，矢高為8 m，橢圓弧線段塔柱高度為47 m，支座處設(shè)置1根水平橫桿支撐橋面。

斜拉索分散錨固于鴨蛋拱形橋塔之上，每個鴨蛋拱形橋塔各有2組11對斜拉索，共66根斜拉索；每個鴨蛋拱形橋塔各有2組5對斜拉背索，共30根斜拉背索。斜拉纜索直徑為0.15～0.2 m，斜拉纜索采用1670 MPa的鍍鋅高強度鋼絲。玻璃橋面鋼結(jié)構(gòu)加勁梁如圖3所示。

圖3 玻璃橋面鋼結(jié)構(gòu)加勁梁

直線段橋面寬度為15 m，橋面中心天井洞口半徑為20 m，橋面曲線封口梁按橋面圓弧曲線變化，其圓弧半徑為175 m，在橋面中心天井洞口周圍也設(shè)置一道封口梁。

橋面采用鋼梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，梁間距為8 m，由于橋面為曲線變化，由引橋至中心處橋面加勁梁跨度逐漸增大。直線段橋面加勁梁長為15 m，加勁梁采用矩形鋼管的鋼梁結(jié)構(gòu)，梁寬均為1 m，梁截面高度為2～3.5 m，曲線段橋面加勁梁為魚腹式變截面鋼梁，增加鋼梁截面高度以滿足跨中處玻璃橋面的承載力要求。橋面魚腹式鋼梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 橋面魚腹式鋼梁結(jié)構(gòu)(單位：m)

雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋的MIDAS模型如圖5所示。

圖5 雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋的MIDAS模型

3 豎向荷載作用下的計算結(jié)果

對主跨橋面做滿荷加載，橋面附加恒荷載采用均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值5 kN/m2，橋面活荷載采用均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值4 kN/m2，豎向荷載作用下的計算結(jié)果如圖6所示。

(a) 撓度

最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，去除成橋狀態(tài)的找形誤差后，豎向荷載作用下的豎向撓度為0.224 m，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。纜索最大內(nèi)力為37 548.6 kN，纜索最大應(yīng)力為758.2 MPa，滿足強度要求。橋塔最大內(nèi)力為537 663 kN，橋塔最大應(yīng)力為77.9 MPa，滿足強度要求。

4 模態(tài)計算結(jié)果

主纜是斜拉橋的主要承力結(jié)構(gòu)，動力特性分析建模時以初拉力的形式計入主纜和吊索的成橋內(nèi)力?；贛IDAS的非線性靜力分析、應(yīng)力剛化效應(yīng)和模態(tài)分析功能，進行自振特性分析。為了不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程。典型模態(tài)如圖7所示。

(a) 1階振型(0.549 Hz)

由圖7可知，1階振型為正對稱豎彎，頻率為0.549 Hz；15階振型為扭轉(zhuǎn)振型，頻率為1.568 Hz。整體振型密集，出現(xiàn)明顯的振型分組現(xiàn)象，振型以豎彎和側(cè)彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型，扭彎頻率比值為2.86，比值較高表明其具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

以雞鳴三省大峽谷人行景觀玻璃斜拉橋為工程背景，進行鴨蛋拱形橋塔的三岔形橋面斜拉橋的構(gòu)形研究，建立MIDAS有限元模型，進行豎向荷載作用下的靜力分析，開展動力模態(tài)分析，得出以下結(jié)論。

(1) 改革傳統(tǒng)的斜拉橋門式斜拉橋塔，提出新型鴨蛋拱形斜拉橋塔的設(shè)計方案，鴨蛋拱形橋塔具有造型美觀、占地面積小、錨固分散、纜索方便、力學(xué)性能優(yōu)良和施工便捷等優(yōu)勢，該新型橋塔適合窄小的山區(qū)景觀平臺環(huán)境。

(2) 三岔形人行景觀玻璃橋面與鴨蛋拱形橋塔二者互相匹配，空間曲線形建筑結(jié)構(gòu)元素與雞鳴三省大峽谷環(huán)境之間互相協(xié)調(diào)，可大幅提升景區(qū)的人文內(nèi)涵，是結(jié)構(gòu)學(xué)和建筑學(xué)的理想結(jié)合。

(3) 三岔形空間斜拉橋豎向剛度大、跨越能力強，其最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，豎向恒荷載和活荷載作用下的豎向撓度為0.224 m，滿足規(guī)范要求。纜索最大內(nèi)力為37 548.6 kN，纜索最大應(yīng)力為758.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

(4) 振型以豎彎和側(cè)彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型，扭彎頻率比值為2.86，比值較高表明三岔形橋梁結(jié)構(gòu)牢固，具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。