杭瑞高速洞庭湖大橋索塔造型方案及結構設計

程麗娟， 蘇振宇， 張晉瑞

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 長沙 410008)

索塔是懸索橋的重要組成構件，其施工及成橋階段的受力狀態(tài)對懸索橋結構安全影響顯著。索塔造型是懸索橋景觀設計中最關鍵的環(huán)節(jié)，往往決定著橋梁的整體構型和氣勢[1-2]。近年來，國內外眾多學者對懸索橋的索塔造型、構造設計及受力性能等方面開展了研究。王立新等[3]闡述了潤揚長江大橋橋塔設計過程中的塔位選擇、結構設計及設計特色；謝尚英[4]對獵德大橋索塔的設計構思、結構設計和計算過程進行了分析；李翠霞[5]介紹了武漢鸚鵡洲長江大橋橋塔造型構思、縱橫向靜力計算過程；馬玉全[6]則對虎門二橋索塔的景觀造型方案進行了深入研究；吳巨軍等[7]對自錨式懸索橋的結構體系及索塔構造設計開展了研究；李萬恒等[8]以泰州長江大橋為依托對懸索橋索塔的剛度體系進行了分析；張德明[9]對鋼結構與鋼-混組合結構索塔方案進行了詳細闡述；何利、蘇茂材等[10-11]分別對索塔的構造設計及施工過程進行了分析；范金軍等[12]則開展了懸索橋索塔的三維應力計算。這些研究在實際工程中取得了良好的實施效果，為索塔的造型方案優(yōu)化指明了方向，為索塔結構設計、局部構造及受力性能分析提供了有益的支撐和可靠的依據(jù)。

在已有懸索橋索塔景觀造型研究、構造設計和數(shù)值計算的基礎上，本文針對杭瑞高速洞庭湖大橋設計過程中的美學構思、構造優(yōu)化及設計、整體和局部有限元方法進行分析，提出了索塔設計中需考慮的內容及控制因素。

1 工程概況

杭瑞高速洞庭湖大橋位于岳陽市七里山洞庭湖入長江交匯口，南距上游洞庭湖大橋3 km，東起岳陽樓區(qū)吉家湖路，西至君山區(qū)西城街道七弓嶺，為杭瑞高速的控制性工程。河道兩岸均為湘江Ⅰ級階地，岳陽岸以剝蝕崗地為主，君山岸位于湘江河漫灘上，場地覆蓋層主要為沖填土和淤泥質粘土，下伏基巖主要為板巖。主橋采用(1 480+453.6)m雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋，主纜跨徑布置為(460+1 480+491)m，橋型布置如圖1所示。橋梁按雙向6車道高速公路進行設計，設計速度100 km/h，設計洪水頻率1/300，航道等級Ⅰ(3)級，設計基本風速32.9 m/s，地震基本烈度Ⅶ度。

單位：cm

主橋梁長1 933.6 m，橋面寬33.5 m，橫坡為2%。主梁為板桁結合鋼桁加勁梁，桁高9.0 m，桁寬35.4 m，節(jié)間長度8.4 m。主纜垂跨比1/10，2根主纜中心距35.4 m，設175根通長索股，君山側邊跨另增設6根背索。每根索股由127根Φ5.35的高強鍍鋅鋼絲組成。吊索標準間距16.8 m，跨中處吊索間距17.6 m，并設置5對柔性中央扣。索塔采用門式框架塔，岳陽側塔高203.088 m，君山側塔高206.088 m。兩岸錨碇均為地連墻基礎重力式錨碇。

2 索塔造型方案研究

洞庭湖大橋位于湖湘文化歷史名城岳陽，橋梁在滿足受力要求的前提下，對其景觀設計提出了極高要求。索塔是懸索橋最重要的造型元素，在橋梁設計過程中，需從橋址周圍環(huán)境調查分析開始，結合橋梁美學的造型手法，對其設計風格、造型、比例、色彩進行綜合研究，以求構思力學與美學相融合的新型方案。

2.1 人文環(huán)境

統(tǒng)觀世界橋梁史，橋梁建筑素有“一橋一城”的標識性文化載體功效，因此，橋梁構型承載著當?shù)靥赜械娜宋沫h(huán)境要素。大橋地處具有厚重歷史文化沉淀的岳陽洞庭湖，只有在充分分析當?shù)氐娜宋沫h(huán)境下開展設計工作，才能夠保證大橋的造型設計具有獨到之處。

歷史悠久的文化名城岳陽，擁有名貫古今、飲譽海內外的岳陽樓、富有神話傳奇色彩的君山島、東洞庭湖生態(tài)保護區(qū)等自然和人文勝跡。洞庭湖波瀾壯闊，雄渾廣大，古往今來，遷客騷人，無不為洞庭湖的浩瀚氣勢所傾倒。湖中景狀，一日之中變化無窮，更兼岳陽樓、君山等名勝古跡點綴其間，使這座天下名湖更加富有詩情畫意。洞庭湖畔的岳陽樓聳立在岳陽市西門城頭，以其雄偉古樸的風貌屹立于世，歷有“洞庭天下水，岳陽天下樓”的盛譽。洞庭湖大橋既是岳陽樓、洞庭湖、君山島諸景點交融的紐帶，更是水綠融城而增古城新韻的亮麗風景線，構筑“樓、湖、島、橋”的景觀序列，體現(xiàn)岳陽的人文環(huán)境特點是橋梁尤其是索塔設計過程中需要重點考慮的因素。

2.2 總體設計風格

從造型風格、造型手法、造型元素等方面，探索適宜大橋索塔的造型方案。

岳陽洞庭湖大橋橋址區(qū)域較空曠，根據(jù)景觀對比造型法，此處適宜采用較為剛毅、挺拔、立體感較強的橋梁造型風格。橋址鄰近岳陽古建筑群區(qū)域，根據(jù)景觀協(xié)調要求，橋塔造型的手法及元素應與古建筑相呼應。橋梁主跨達1 480 m，為現(xiàn)代超大跨度纜索承重橋梁，適宜采用簡潔大氣、視覺穩(wěn)定的造型方案。

岳陽洞庭湖大橋平面和立面線形設計有3個平面彎曲和3個縱向起伏，橋上行車時對整個大橋的觀賞是線性而連續(xù)的，總體設計時通過橋塔立面和斷面的構造變化，實現(xiàn)隨時間和位置的不同呈現(xiàn)不同的景觀效果，可避免單調枯燥的行車感覺，提高行車的興趣點。

2.3 索塔造型設計

2.3.1 塔高確定

岳陽洞庭湖大橋主纜跨徑為460 m+1 480 m+491 m=2 431 m，垂跨比1/10，橋面以上塔高約160 m。在橋梁造型設計中，通常采用既有一定比例美、又有特定性的正方形、均方根形等特征矩形作為形體立面的基本圖形。應用基本圖形之間的演變關系，按功能與藝術要求進行內部分割變化，大橋可達到形體動靜結合、相互呼應協(xié)調的藝術效果。

根據(jù)特征矩形分割法原理，被跨徑整除的一系列數(shù)值約為：2 431/12=202、2 431/11=221、2 431/10=243、2 431/9=270、2 431/8=304。這些結果中的任何一個作為特征矩形的邊長去解析大橋立面，在理論上都能得到比較美觀的比例。結合本橋通航水位和結構體系，最終選擇以202 m作為水面以上的塔高，加上塔頂建筑高度，塔頂離水面的總高度接近231 m，大橋從結構和造型方面都能獲得良好效果，整體比例協(xié)調、均衡。

2.3.2 索塔造型方案

結合索塔的受力要求、景觀的人文特色和總體設計風格，提出了多種不同的造型方案，其中4種方案如圖2所示。

(a) 方案1(b) 方案2(c) 方案3(d) 方案4

1) 方案1：瀟湘琴韻。排蕭是我國古代竹類樂器之一，瀟湘之竹制成的排簫更是精品。該方案抽取排蕭的“韻律、層次”造型元素進行橋塔設計，增強橋塔的挺拔感?？紤]到超大跨徑懸索橋的橋塔穩(wěn)定性問題，在塔頂加設上橫梁，以提高橋塔的縱橫向穩(wěn)定性。為增強其挺拔效果，對橋塔塔柱橫橋向進行了一定尺度的壓縮，在保證其層次及韻律的基礎上，呈現(xiàn)出排簫的造型元素。在塔冠造型設計中，采用層次設計手法，呼應古代建筑所遵從的天地之交的設計理念，同時參照岳陽樓的立面比例來優(yōu)化塔冠、橫梁及塔柱階梯過渡位置的高度比例。該方案在剛毅、挺拔的排簫造型基礎上，在各階梯頂部輔以過渡塔尖，達到與洞庭湖畔的岳陽樓遙相呼應的景觀效果，既體現(xiàn)了橋梁雄渾廣大的氣勢，也反映了敢為人先、一往無前的湖湘文化精髓。

2) 方案2：現(xiàn)代簡約?；谥袊诺浣ㄖ拥脑煨鸵兀O計中加入古建筑“鴟吻”元素，在達到挺拔效果的同時，增強塔座的穩(wěn)定感，在橋面以上橋塔高度的黃金分割點設置中橫梁；為了保證橋面以下空間的開闊感，對下橫梁的體量進行了輕微弱化。

3) 方案3：中流砥柱。融入湘楚文化“承上啟下，中流砥柱”的歷史元素，塔柱采用曲線型塔頭，兩塔柱在上橫梁位置向中間靠攏，體現(xiàn)了湘楚地區(qū)在歷史及地理中的“紐帶”作用。

4) 方案4：中式復古。在上、中橫梁處采用塔柱漸變的處理手法，將古建筑的層次理念注入橋塔造型設計中。為了表現(xiàn)橋塔的挺拔感，設計過程中對下橫梁處塔柱截面是否采用漸變進行了綜合比選，研究表明該區(qū)段不設漸變段更能突出橋塔的挺拔效果。

通過對橋塔造型方案的綜合分析比較，采用現(xiàn)代風格并融入古典元素的“瀟湘琴韻”造型，既能更好地反映地域特點和時代特征，又能呼應岳陽的城市古建筑群，具有韻律、層次之美，滿足懸索橋的結構受力要求，因此將其作為橋塔的實施方案。

2.3.3 索塔立面構型

造型方案確定后，索塔立面構圖中各部分的比例決定了索塔的造型效果。采用特征梯形作為索塔立面的基本圖形，參照岳陽樓的立面構圖，確定了索塔立面的豎向構圖比例。岳陽樓以標準層高為單位長度，高度方向的比例為0.65∶1∶1∶1∶0.65；樓底和頂部寬度與標準層高的比值分別為5.6和2.3。索塔以塔柱標準分段為單位長度，塔柱自下而上的比例為0.65∶1∶1∶1∶0.618；塔底和塔頂寬度與塔柱標準節(jié)段長度的比值分別為1.25和0.618。

索塔豎向比例與岳陽樓基本一致，橫向與豎向尺寸的比值由于橋寬的限制而與岳陽樓存在一定差異，相比岳陽樓的莊嚴穩(wěn)重，索塔顯示出挺拔向上的氣勢，達到了良好的立面效果。

2.3.4 索塔色彩風格

高聳的主塔是懸索橋視覺的一個中心點，其色彩涂裝是全橋色彩風格的體現(xiàn)。綜合分析了橋址區(qū)的歷史、自然與建筑環(huán)境的色彩：岳陽的歷史建筑以原色及朱紅色為主；自然環(huán)境中，碧波藍天是最引人入勝的色彩；建筑環(huán)境中，白色、暖調是岳陽的基調。飽和度不大的灰白色索塔更易展示大橋的良好形態(tài)，并與環(huán)境形成和諧統(tǒng)一的效果，做到環(huán)境為橋梁添顏，橋梁為環(huán)境增色的效果。而紅色與藍色涂裝方案難以與引橋色彩形成良好搭配與過渡，對現(xiàn)代建筑的橋梁結構也缺乏展現(xiàn)優(yōu)勢。為此，索塔的主體涂裝方案采用灰白色，在塔尖局部采用紅色以形成點綴。

3 索塔結構設計及優(yōu)化

洞庭湖大橋岳陽岸及君山岸索塔在塔座以上的高度分別達到203 m和206 m，岳陽岸索塔的基本構造如圖3所示。塔柱沿高度方向呈階梯狀布置，與常規(guī)的漸變式截面相比，其構造設計更為復雜。

3.1 索塔塔柱

3.1.1 塔柱截面形式

洞庭湖大橋塔柱在高度方向呈階梯狀變化，橫橋向截面寬度存在突變，合理確定上塔柱、下塔柱的箱室數(shù)目及截面突變位置的過渡段構造，保證塔柱豎向傳力順暢，是索塔塔柱設計的重點和難點。設計過程中擬定了如圖4所示4種方案，對各部分塔柱采用不同的箱室數(shù)目及過渡方式進行了計算分析。

(a) 索塔正視圖(b) 索塔側視圖單位:cm圖3 岳陽岸索塔構造Fig.3 Tower structure of Yueyang side

根據(jù)結構整體及局部受力分析，同時考慮施工便利性，最終選用了方案3，即上塔柱上段采用單箱單室截面，上塔柱中間截面寬度變化位置采用長倒角進行過渡，上塔柱下段及下塔柱采用單箱附加小箱室的雙室截面，主箱室和附箱室共同受力。

3.1.2 塔柱構造設計

橋塔為門形框架結構，由上塔柱、下塔柱、上橫梁和下橫梁組成。塔柱在塔頂中心間距為35.4 m，單根塔柱呈3個階梯狀變化。塔柱在順橋向由上至下向外傾斜，斜率為7.174/1 000。塔柱為普通鋼筋混凝土結構，橫梁為預應力構件。

岳陽岸橋塔總高203.088 m，上塔柱高166.45 m，下塔柱高36.638 m；君山岸橋塔總高206.088 m，上塔柱高166.75 m，下塔柱高39.338 m。上塔柱在上部約110 m范圍內為單箱單室斷面，壁厚1.4 m；上塔柱下部約55 m范圍為單箱雙室斷面，主室壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。下塔柱為單箱雙室斷面，主室順橋向壁厚1.7 m，橫橋向壁厚1.4 m，附箱室壁厚0.8 m。塔柱內與橫梁頂、底板對應的位置以及截面尺寸突變的位置設置橫隔板。橋梁運營過程中易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；防火纏包帶主要有陶瓷化復合隔熱阻燃包帶、復合纖維耐火隔熱阻燃包帶、氣凝膠隔熱阻燃包帶3種。經(jīng)調研比選，氣凝膠隔熱阻燃包帶與主纜防腐體系具有良好的兼容性和延展性，且能適應主纜變形，不對主纜密封產(chǎn)生影響，與此同時，二者采用纏包方式結合，在主纜的振動、風荷載作用下具有良好的粘結性。為此，本項目在主纜防腐體系的硫化型橡膠密封劑與柔性氟碳面漆之間增設一層5mm厚的氣凝膠隔熱阻燃層，以滿足防火設計要求，如圖5所示。

單位：cm

3.2 索塔橫梁

3.2.1 橫梁斷面形式比選

岳陽岸和君山岸塔柱分別高203 m和206 m，采用雙橫梁方案，橫向風荷載作用時橫梁受力較大。橫梁底采用曲線設計，截面高度變化劇烈，橫梁受力、構造及預應力配置均較復雜。設計過程中對橫梁不同構造方式、預應力筋配置方式進行了比選，如圖5所示。方案1為閉口變高度橫梁，梁高7 m～19 m，下緣預應力鋼束考慮了直線、曲線、部分直束和部分曲線3種形式；方案2為開口變高度橫梁，梁高8 m～19 m，下緣配置直線預應力鋼束；方案3、方案4為等高橫梁，梁高分別為7 m和10 m，下緣設置直線預應力鋼束，橫梁下緣圓弧造型通過裝飾板實現(xiàn)。

單位：cm

根據(jù)結構計算結果,在預應力鋼筋配置根數(shù)相同的情況下，除方案1變高梁+曲線預應力束方案外，其余幾個方案橫梁都出現(xiàn)了拉應力；方案3的壓應力達20 MPa，其余方案壓應力均滿足規(guī)范要求。采用等截面橫梁的方案3和方案4在梁、塔柱交接處應力突變比較明顯，橫向荷載作用下橫梁兩端應力差值大，預應力配置困難。方案2與等截面梁類似，開口腹板拉應力更大，容易開裂。經(jīng)綜合比較，最終采用了方案1閉口變高度橫梁+曲線預應力鋼束方案。

3.2.2 橫梁構造設計

索塔上橫梁高7.0 m～19.0 m，為單箱單室斷面。橫梁頂面寬度8.565 m，沿高度方向逐漸變寬，斜率為7.174/1 000。頂?shù)装搴穸?.9 m，腹板厚度1.2 m，底緣由2個半徑20 m的圓曲線組成。

下橫梁高7.0 m～17.0 m，采用單箱單室斷面，頂?shù)装搴穸?.0 m，腹板厚度1.2 m，底緣由2個半徑32 m的圓曲線組成。

橫梁按A類預應力混凝土構件進行設計，采用深埋工藝錨固于塔柱外側。上橫梁內布設了32根19Φs15.20鋼絞線，下橫梁內布設了52根19Φs15.20鋼絞線。

3.3 索塔基礎

因索塔塔柱內傾、塔柱橫橋向相對于承臺存在初始偏心、橫向風荷載作用，洞庭湖大橋索塔基礎承受的橫向荷載較同類型橋梁略大。設計過程中對承臺選取了7.5 m、8.0 m、8.5 m三種不同厚度，以及2.8 m、3.0 m、3.2 m樁徑方案進行分析和比較，在綜合考慮受力性能、工程造價等因素后，選用了8.0 m厚承臺，下設40根D3.0 m(D為直徑)的樁基方案。

單根塔柱承臺平面尺寸為23.5 m×30 m(順橋向×橫橋向)，兩承臺之間用寬10.0 m的系梁進行連接。塔柱底與承臺間設塔座，厚度2.0 m。單根塔柱下設20根D3.0 m樁基，順橋向布設4排，橫橋向布設5排，樁基中心距為6.0 m；系梁下設4根D1.8 m樁基，樁基均按嵌巖樁設計。岳陽岸橋塔樁長57 m～68 m；君山岸橋塔樁長47 m～51 m。索塔基礎構造如圖6所示。

4 索塔結構計算

4.1 索塔整體計算

利用Midas Civil有限元軟件建立全橋空間計算模型, 主纜和吊索以索單元模擬，橋塔、加勁梁用梁單元進行模擬?？紤]恒載、活載、溫度、風荷載及地震力等作用，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的荷載組合，對索塔進行計算分析。結構計算模型如圖7所示。

根據(jù)索塔施工方案，將索塔施工過程劃分為承臺及塔座、下塔柱、下橫梁、上塔柱、上橫梁、纜索系統(tǒng)施工、加勁梁及附屬施工等11個施工階段。計算結果表明，施工階段，索塔最大拉應力為1.28 MPa，發(fā)生在下橫梁施工時的塔柱外側；最大壓應力為11.48 MPa，發(fā)生在成橋狀態(tài)的上塔柱截面突變處。以索塔施工完成的裸塔為研究對象，對裸塔承受恒載、溫度和施工風荷載作用下的強度、裂縫和穩(wěn)定性進行計算，結果表明塔柱承載能力和裂縫均滿足規(guī)范要求，兩岸索塔裸塔最小彈性穩(wěn)定系數(shù)分別為17.4和17.1。

(a) 1/2索塔基礎立面

(b) 1/2索塔基礎平面

圖7 全橋有限元計算模型

運營階段組合作用下，兩岸索塔最大軸力及彎矩均出現(xiàn)在索塔根部，索塔承載能力驗算滿足要求，最小安全系數(shù)分別為1.3和1.1。索塔塔柱無拉應力出現(xiàn)，塔柱最大壓應力為17.3 MPa，發(fā)生在上橫梁與塔柱交接位置的塔柱內側，由恒載+溫度+橫向極限風產(chǎn)生。橫梁按A類預應力構件設計，兩岸索塔上下橫梁應力及承載能力均滿足規(guī)范要求。

利用“橋梁博士基礎版”建立索塔基礎的空間計算模型，計算結果表明承臺正截面和斜截面承載能力最小安全系數(shù)為1.5，單樁豎向承載能力最小安全系數(shù)為4.0，樁基截面強度最小安全系數(shù)為1.47，承臺及樁基受力均滿足規(guī)范要求。

4.2 索塔局部應力分析

利用Midas Fea程序建立索塔的實體模型，重點關注索塔塔柱、隔板尤其是各級塔柱交界位置、上下橫梁等受力復雜部位的應力分布情況，為構造設計及配筋提供依據(jù)。局部應力分析采用的荷載及位移邊界條件均從全橋計算模型中提取，采用二階Solid單元進行模擬，全塔劃分為339 005個單元，共575 268個節(jié)點，計算模型如圖8所示。

圖8 索塔實體計算模型

計算結果表明，索塔塔柱及上下橫梁基本處于受壓狀態(tài)，塔柱臺階變化位置、預應力鋼束錨固位置存在應力集中，局部有壓應力超標現(xiàn)象。塔柱臺階變化位置、隔板與塔柱交界處、過人洞、橫梁底板上緣倒角等極少數(shù)位置有拉應力出現(xiàn)，但應力均在3.0 MPa以內。以上壓應力和拉應力較大位置分布范圍很小，且均位于結構表面，可通過加強配筋、優(yōu)化預應力錨固形式和張拉順序改善結構受力。

5 結論

1) 大跨度橋梁索塔選型設計應充分調研當?shù)氐娜宋臍v史環(huán)境，確定總體設計風格，再結合環(huán)境特點進行多方案比選，以達到人文、環(huán)境和橋梁景觀的協(xié)調統(tǒng)一。

2) 洞庭湖大橋“瀟湘琴韻”的排簫索塔造型方案，簡潔大方，既有雄渾廣大、一往無前的氣勢，也有韻律之美，并與岳陽的古建筑群遙相呼應，體現(xiàn)出地域特點。

3) 構型復雜的索塔方案在滿足總體受力的前提下，特別注意了局部構造的優(yōu)化處理?？赏ㄟ^總體受力把控、局部構造優(yōu)化、預應力筋設置方式調整等多種措施對細部構造進行充分比選和計算分析，綜合考慮結構受力性能、施工便利性及工程造價等因素，合理確定索塔各部分的構造形式。

4) 杭瑞高速洞庭湖大橋是目前國內第一、世界第二大跨度的板桁結合鋼桁梁懸索橋，其索塔設計在設計理念、景觀造型及構造細節(jié)等方面進行了一些嘗試，取得了良好的效果，可為同類型橋梁設計提供參考。