風(fēng)景區(qū)景觀橋梁橋型選擇與創(chuàng)新設(shè)計

劉喆，馬乃軒

1.中國電建集團核電工程有限公司，山東濟南 250100； 2.山東高速工程檢測有限公司，山東濟南 250002

0 引言

風(fēng)景區(qū)內(nèi)的景觀橋梁應(yīng)與四周自然風(fēng)光和諧統(tǒng)一。橋梁作為室外空間中富有魅力的建筑，設(shè)計時多融入當(dāng)?shù)靥厣赜蛭幕?，是我國新時代對橋梁建設(shè)特色品質(zhì)提升提出的新要求[1]。風(fēng)景區(qū)內(nèi)的景觀橋梁不孤立于環(huán)境，可起到當(dāng)?shù)匚幕吐糜斡^景平臺的作用，如在設(shè)計時融入典型徽派建筑風(fēng)格的馬鞍山長江大橋的橋塔，上海黃浦江的外灘大橋也成為黃浦江兩岸城市發(fā)展的重要平臺[2]。

選擇景觀橋梁的設(shè)計方案時需注意造型美觀、結(jié)構(gòu)安全和造價經(jīng)濟。因此，在景觀橋梁方案設(shè)計初期階段，應(yīng)將風(fēng)景區(qū)景觀特點、歷史文化內(nèi)涵與技術(shù)、經(jīng)濟、功能、安全等因素和諧配置(如圖1所示)，優(yōu)化調(diào)整，使本橋在風(fēng)景區(qū)內(nèi)與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)共處，既體現(xiàn)當(dāng)?shù)匚幕叭宋奶攸c，又能作為游人駐足景區(qū)、欣賞周圍自然風(fēng)光的觀景平臺[3-4]。

圖1 風(fēng)景區(qū)景觀橋梁方案構(gòu)思圖解

1 方案比選

1.1 工程概況

某市文化旅游區(qū)內(nèi)跨河橋位于某風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地表形態(tài)較簡單，地貌單元為河流漫灘。橋長51 m，跨徑組成為30 m+15 m，選用斜拉-懸索協(xié)作體系連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。本橋中心線與河道夾角約為60°，平面位于直線上，立面單向縱坡坡度為3.8%。

單位：cm。圖2 斜拉-懸索協(xié)作體系連續(xù)梁橋總體布置圖

本橋主梁為現(xiàn)澆混凝土箱形梁，單箱雙室結(jié)構(gòu)，標準斷面為16.6 m，橋墩處受橋塔預(yù)埋段影響加寬至18.8 m。橋塔由主塔和副塔2部分組成，主塔線型為橢圓形，主塔向15 m跨方向傾斜78°，通過主纜及斜拉索保持自身穩(wěn)定；副塔與主塔夾角為30°，橋塔為鋼箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置加勁肋，全部采用Q345qD鋼材。主纜采用1束15-8填充型環(huán)氧涂層鋼絞線，經(jīng)過副塔分束為4股，每股2根，通過主塔后錨固在主梁上；采用耳板式連接吊桿與主梁，通過預(yù)埋鋼筋連接耳板與主梁，采用索夾連接吊桿與主纜。本橋主梁采用滿堂支架施工，橋塔為工廠節(jié)段制造后現(xiàn)場拼裝，主梁和橋塔施工完成后安裝纜索和吊桿。

1.2 設(shè)計理念

本橋位于整個旅游文化區(qū)的中心位置，周圍為盆地地形，游客觀測點多處于高點，且水面較窄，不利于形成水與橋的共融景觀。方案設(shè)計中，在滿足交通需求和橋下河水行洪要求的前提下，應(yīng)體現(xiàn)風(fēng)景旅游區(qū)的歷史文化底蘊和現(xiàn)代氣息，以簡約、美觀、適用的結(jié)構(gòu)形式，力求具有明顯的現(xiàn)代風(fēng)格和個性，避免“放之四海而皆準”的雷同效果，建成后成為景區(qū)標志性景觀[5-6]。

1.3 橋塔和橋型選擇

橋塔可采用鋼橋塔結(jié)構(gòu)和混凝土橋塔結(jié)構(gòu)2種類型。本橋所處位置地勢較低，需通過梁上的橋塔，在外觀上區(qū)別本橋與周圍環(huán)境，在區(qū)域環(huán)境中更好地凸顯橋塔的標志性和特征性[7]。景區(qū)內(nèi)植被茂盛，施工運輸條件較差。鋼橋塔結(jié)構(gòu)自重輕，能減小下部基礎(chǔ)尺寸，便于工廠加工，可平行施工，工期大大縮短，鋼橋塔結(jié)構(gòu)尺寸較小，橋塔所占橋面寬度和橋面建筑面積較少，在一定程度上節(jié)約成本，施工質(zhì)量可控，進度快，拼裝后可整體吊裝，降低施工風(fēng)險。混凝土橋塔結(jié)構(gòu)自重大，下部基礎(chǔ)尺寸大，爬模施工，需現(xiàn)場搭設(shè)支架；由于工程量小，單價提高，性價比低，混凝土橋塔結(jié)構(gòu)尺寸大，浪費橋面空間，工期長，不能平行施工。

景觀橋梁方案設(shè)計比選時，根據(jù)橋址條件，合理選擇橋型方案和布跨，在保證結(jié)構(gòu)合理，節(jié)約成本的前提下，力爭做到造型美觀新穎[8]。本橋橋型設(shè)計提供了4種方案：方案一是斜拉-懸索協(xié)作體系連續(xù)梁橋，橋塔采用橢圓形結(jié)構(gòu)，由主塔和副塔組成；方案二是將方案一橋塔改為2個分離式塔，橋塔造型類似青銅寶劍；方案三是將方案一橋塔改為直立橋塔，將原來的斜拉懸索組合體系改為斜拉橋；方案四是將方案一跨徑調(diào)整為1孔45 m，取消方案一中的副塔，造型仍為橢圓形。4種方案的橋塔和主梁結(jié)構(gòu)及工程造價如表1所示。

表1 橋型方案對比

由表1可知：4個方案造價相差不大，其中方案三造價最低。方案一與方案二、三相比，橢圓形橋塔線型美觀，混凝土橋塔截面較大，顯得笨重，直立的橋塔爬模施工周期較長；與方案四相比，方案一主塔和副塔可將主纜在橋塔位置進行分散，并獨立錨固在主梁上，通過主纜、吊桿和斜拉索，比單根主纜在空間上更具有表現(xiàn)力。經(jīng)對比研究，最終確定方案一提出的30 m+15 m斜拉-懸索協(xié)作體系連續(xù)梁橋作為本橋最終方案。

1.4 全橋三維表現(xiàn)

依據(jù)文獻[9]相關(guān)規(guī)定，在環(huán)境要求較高的情況下，借助三維和全景透視圖，直觀地表現(xiàn)新建橋梁的工程形象[10-12]。本橋制作了4種比選方案的三維效果圖，方案一效果圖如圖3所示。

三維效果圖立體效果強，但建模時精度較低，且對實際施工指導(dǎo)意義不大。結(jié)合施工圖，借助AutoCAD的三維技術(shù)功能對橋梁進行1:1實體精確建模，將坐標系調(diào)整至施工控制點處，可在程序中提取全橋任意1點的設(shè)計坐標，可為施工放樣、測量自檢和內(nèi)業(yè)資料編制等相關(guān)工作提供依據(jù)，極大地提高測量放樣和施工的工作效率，如圖4所示。

圖3 方案一效果圖 圖4 橋梁1:1實體上部結(jié)構(gòu)模型

2 設(shè)計關(guān)鍵點

2.1 低應(yīng)力水平下拉索結(jié)構(gòu)的錨固可靠性

本橋由主梁承受主要荷載，橋塔僅承受成橋后的風(fēng)荷載及溫度引起的部分荷載，拉索僅起裝飾作用，對拉索張拉的錨固力較小。為保證低應(yīng)力水平下拉索結(jié)構(gòu)的錨固可靠性，本橋拉索采用填充型環(huán)氧涂層鋼絞線，錨固位置采用三片式夾片，可使鋼絞線的環(huán)向正壓力更均勻。由于填充型環(huán)氧涂層鋼絞線外表涂層較厚，夾片牙絲采用增加牙高的粗牙，穿透鋼絞線的表面并咬入基材，使機械咬合作用得到充分發(fā)揮。張拉錨固方法采用“頂壓”式，在預(yù)應(yīng)力錨具安裝前，應(yīng)確保錨板的錐孔、夾片的外錐面表面平滑，可在一定范圍內(nèi)選擇夾片的錐角[13-15]。

2.2 橋塔與主梁連接可靠性

橋塔主塔的橫斷面方向為橢圓形，橢圓長軸方向為豎直方向，長16.2 m；短軸方向為橫橋向，長12.8 m。主塔和副塔均為矩形斷面，主、副塔夾角為30°，采用焊接連接，主塔立面與主梁水平線夾角為78°，橋塔埋入主梁內(nèi)深度為1.2 m。為保證橋塔與主梁連接的可靠性，在縱橋向橋塔與主梁混凝土結(jié)合面，將已焊接剪力釘?shù)匿摪搴附釉谒谏?，增大橋塔與混凝土的結(jié)合面，提高橋塔抗拔力。在橋塔內(nèi)部，混凝土主梁表面以上3 m內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，增加橋塔根部自身穩(wěn)定性。由于橋塔預(yù)埋段在混凝土箱梁中橫梁位置，考慮到若縱、橫向預(yù)應(yīng)力均從橋塔穿過，勢必削弱橋塔預(yù)埋段截面，因此在設(shè)計時增大橋塔橫橋向跨度，避開主梁內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋，僅在橋塔橫橋向開孔，穿過和錨固橫梁預(yù)應(yīng)力鋼筋。在塔壁每60 cm打孔通過1根骨架鋼筋，其余骨架鋼筋則在塔壁焊接并滿足焊接長度要求，使橋塔和主梁得到可靠連接。

2.3 主纜散索器設(shè)計

本橋主纜在副塔內(nèi)分束為4股后通過主塔，在主塔內(nèi)彎折最終錨固在主梁上。在副塔內(nèi)設(shè)置1個散索器,散索器由喇叭形的散索套和定型器2部分組成。主纜在散索套內(nèi)分散為4股后，穿過定型器進行定向，待主纜安裝調(diào)整就位后，在主纜與散索套的空隙內(nèi)填充柔性材料，防止使用過程中主纜因振動在散索套內(nèi)滑動。考慮到每股鋼絞線均具有一定剛度，在主塔內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)向?qū)б埽蛑魉?nèi)空間受限，導(dǎo)引管的轉(zhuǎn)向半徑需滿足每股鋼絞線彎折所要求的最小半徑，采用圓弧-直線段的方式確保每股鋼絞線按照設(shè)計角度進行定位，解決了主纜在橋塔上的安裝和定位問題。

3 結(jié)構(gòu)靜力計算

景觀橋梁上道路等級為風(fēng)景區(qū)內(nèi)主干道，設(shè)計使用年限為100 a，汽車荷載為公路-Ⅱ級，人群荷載為3 kPa。標準斷面布置為2.2 m(人行道及欄桿)+0.6 m(拉索錨固區(qū))+11.0 m(行車道)+0.6 m(拉索錨固區(qū))+2.2 m(人行道及欄桿)=16.6 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.15g，g為重力加速度)，設(shè)計地震分組為第二組，地震動反應(yīng)譜特征周期0.4 s。溫度荷載中升、降溫的初始溫度為25 ℃，溫度梯度按文獻[16]要求取值?；驹O(shè)計風(fēng)速為v=27.4 m/s。橋面鋪裝10 cm厚瀝青混凝土鋪裝層+防水層+6 cm混凝土調(diào)平層。

3.1 計算模型簡介

采用橋梁有限元分析軟件MIDAS Civil，以方案一中提出的30 m+15 m斜拉-懸索協(xié)作體系連續(xù)梁橋設(shè)計方案建立空間有限元模型，進行結(jié)構(gòu)整體靜力計算分析。其中，空間梁單元用于模擬主梁和橋塔，桁架單元用于模擬本橋中的纜索體系，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計截面，劃分為230個節(jié)點，194個單元，并在變截面處單獨設(shè)置節(jié)點。景觀橋主梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。

圖5 景觀橋主梁上部結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 主梁靜力計算

本橋的主梁通過MIDAS Civil進行截面驗算，作用效應(yīng)組合依據(jù)文獻[17]要求，驗算其承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，計算模型中的主梁上部結(jié)構(gòu)邊界約束形式如圖6所示。

圖6 主梁上部結(jié)構(gòu)邊界約束示意圖

分別計算主塔結(jié)構(gòu)在自重、汽車和人群荷載作用下的支座反力，中支座反力大于2個邊支座，15 m跨的邊支座反力小于30 m跨的邊支座，計算結(jié)果如表2所示。

表2 標準組合下主塔應(yīng)力計算結(jié)果 kN

由表2數(shù)據(jù)選取盆式橡膠支座，其中，中支座選取7000 kN型，30 m跨的邊支座選取4000 kN型，15 m跨的邊支座選取2500 kN型，滿足計算要求。

3.2.1 主梁強度

主梁的混凝土強度等級為C50，梁高1.6 m，標準段寬16.6 m，中支座橋塔位置主梁加寬至17.8 m，主梁懸臂長2.3 m，懸臂尺寸根部為60 cm，端部為20 cm。按全預(yù)應(yīng)力混凝土進行主梁設(shè)計，持久狀況和短暫狀況下主梁上、下翼緣最大、最小應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7、8所示。

單位：MPa。圖7 持久狀況主梁上、下翼緣最大、最小應(yīng)力包絡(luò)圖

單位：MPa。圖8 短暫狀況主梁上、下翼緣最大、最小應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖7、8可知：持久狀況下主梁上翼緣和下翼緣最大和最小應(yīng)力在30 m跨的跨中位置，30 m跨計算結(jié)果大于15 m跨；在短暫狀況下主梁上翼緣最大應(yīng)力位于30 m跨的跨中位置，下翼緣最大應(yīng)力靠近中跨支座處。主梁在持久和短暫效應(yīng)組合下混凝土應(yīng)力均低于C50混凝土設(shè)計強度，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。

3.2.2 主梁變形

按照施工過程和成橋正常使用階段對主梁進行變形計算，施工過程分為4個施工階段：CS1為滿堂支架，澆筑主梁，張拉預(yù)應(yīng)力；CS2為拆除滿堂支架，安裝永久支座；CS3為二期鋪裝；CS4為10 a收縮徐變。各施工階段主梁變形如圖9所示，成橋正常使用階段主梁變形如圖10所示。

單位：mm。圖9 各施工階段主梁變形

單位：mm。圖10 正常使用狀態(tài)主梁變形

由圖9、10可知：主梁的最大應(yīng)力及變形計算結(jié)果均小于規(guī)范限值，主梁受力安全可靠且具有足夠的安全系數(shù)。

3.3 橋塔計算

3.3.1 橋塔應(yīng)力

采用標準值組合驗算鋼結(jié)構(gòu)強度。驗算主塔塔根和主塔與副塔連接部位兩處應(yīng)力，采用恒載-車輛-人群-溫度荷載組合，計算時不考慮主塔的根部澆筑混凝土。

通過計算可知：主塔塔根處的上翼緣壓應(yīng)力為31.1 MPa，下翼緣拉應(yīng)力為19.7 MPa，主塔與副塔交接處的上翼緣壓應(yīng)力為10.9 MPa，下翼緣拉應(yīng)力為18.8 MPa。在各工況下橋塔主塔的應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。

表3 標準組合下主塔應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

3.3.2 橋塔抗風(fēng)計算

本橋所在地區(qū)的設(shè)計基本風(fēng)速v=27.4 m/s。在風(fēng)荷載作用下，采用恒載-活載-溫度荷載-橫橋向風(fēng)荷載(組合一)和恒載-活載-溫度荷載-順橋向風(fēng)荷載(組合二)模式，計算主塔應(yīng)力，結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)荷載作用下主塔應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

由表4可知：主塔在組合一作用下的最大拉應(yīng)力為68.4 MPa，最大壓應(yīng)力為82.7 MPa，組合二作用下的最大拉應(yīng)力為25.6 MPa，最大壓應(yīng)力為34.3 MPa，均滿足文獻[18]要求。

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

4.1 全橋穩(wěn)定性

采用MIDAS Civil軟件分析成橋階段的整體穩(wěn)定性，失穩(wěn)模態(tài)如圖11所示。

a)側(cè)視圖 b)立面圖 c)俯視圖 d)正視圖圖11 本橋一階線彈性失穩(wěn)模態(tài)

由圖11及MIDAS Civil軟件分析可知：本橋一階靜力線彈性穩(wěn)定系數(shù)為20.61，結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的最小穩(wěn)定系數(shù)均大于4[19]。

4.2 主塔穩(wěn)定性

采用ANSYS軟件建模計算主塔穩(wěn)定性，采用殼單元shell 143分析，將結(jié)構(gòu)劃分為45 483個節(jié)點和45 529個單元，在橋塔的塔根位置采用固定約束的邊界條件。本橋主塔施工時采用階段拼裝、整體吊裝的方案，故建模分析時僅考慮橋塔內(nèi)設(shè)置的加勁板，沒有考慮主塔根部的內(nèi)填混凝土，在恒載作用下計算其穩(wěn)定性，變形結(jié)果如圖12所示。

a)正視圖 b)反視圖圖12 主塔變形結(jié)果

由圖12可知：主塔在接近24倍的恒載作用下發(fā)生一類屈曲失穩(wěn)，塔根位置首先出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，在主塔吊裝就位未灌注混凝土?xí)r，主塔具有足夠的安全系數(shù)；主塔在主梁上的預(yù)埋區(qū)域內(nèi)，通過灌注收縮自補償式微膨脹混凝土可提高主塔的穩(wěn)定性,保障橋梁的安全性[20-22]。

5 結(jié)論

以某市文化旅游區(qū)內(nèi)跨河景觀橋為背景，在方案比選階段采用三維建模，采用橋梁有限元分析軟件MIDAS Civil和有限元軟件ANSYS進行結(jié)構(gòu)分析，并對主塔在整體吊裝未灌注柱腳混凝土的施工工況進行整體穩(wěn)定性計算。

1)與一般的公路橋梁相比，風(fēng)景區(qū)景觀橋梁有自身的獨特性。設(shè)計時應(yīng)考慮橋梁與整體景觀的協(xié)調(diào)性，在滿足基本使用功能的前提下與景區(qū)文化特色協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2)橋塔設(shè)計需滿足現(xiàn)場施工安裝要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需驗算施工不利工況。通過ANSYS模型計算景觀橋變形，矩形橋塔截面穩(wěn)定性較高。因造型需要，橋塔與主梁成一定夾角的景觀橋梁可在橋塔的塔根鋼結(jié)構(gòu)位置內(nèi)部灌注混凝土，防止局部屈曲。

3)因風(fēng)景區(qū)景觀橋梁異型橋梁偏多，可借助有限元分析軟件對主體結(jié)構(gòu)和特殊工況下的構(gòu)件進行驗算和分析。通過計算可知，本橋主梁結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，橋塔設(shè)計滿足施工安裝要求，整體結(jié)構(gòu)安全可靠。