鹰形人字拱斜拉桥的设计与分析

苏彬彬

（福建林业职业技术学院工程系，福建 南平 353000）

桥梁建筑作为现代文明中不可缺少的实用性建筑结构物，首先应满足使用功能的需要，然而一座优秀的桥梁往往以其雄伟壮丽、精巧隽秀而显示出人民的创造力，以其先进的技术、精湛的工艺反映出社会的生产水平，更以其磅腐气势、雄伟浑厚标志着时代精神，从而成为一项艺术杰作。

为了保证现代桥梁的新、美、稳的建筑特性，以及日新月异的世界发展所要求的鲜明时代特征，如何突破传统的桥梁在结构或造型上存在的局限性，便成为了现代桥梁建设所面临的严峻考验，为此进行了深入的探索，提出了一种崭新的桥梁结构型式，即斜拉与异型人字拱的组合——鹰形人字拱斜拉桥。

下面以某桥的投标方案为基础，作简要分析。

1 空间构成

图1 总体布置图

（1）设计标准。设计荷载：汽一20，挂一100，人群3.5kN/m。桥跨布置为 70m＋70m，全长140m，宽14m，主桥跨采用翼型桥塔单索面斜拉桥（见图1）。上部结构采用塔、墩、梁固结体系，竖琴式单索面，塔墩为双薄壁柔性墩身配钻孔灌注桩基础。

（2）主梁与桥面板。主梁截面采用抗扭能力大的斜腹板单箱截面，梁高1.8m。主梁内不设中横梁而采用每隔2.5m设置一对预应力混凝土斜杆来传递拉索拉力，在箱梁顶板中央锚索处设置加强的小纵梁，既利于锚索，又使行车道板受力明确。箱梁采用三向预应力体系，用50号混凝土。考虑到近年来桥面板破坏的主要原因往往是钢筋的锈蚀，桥面板采用纤维增强混凝土材料（FRC）（该材料具有很高的的抗疲劳和静力强度，且造价低于普通钢筋混凝土）。

（3）桥塔。采用翼形桥塔的造型，矢跨比1/7，有效地降低了主塔建筑高度，减少了塔柱材料的用量及造价，符合城市桥梁建筑要求。桥塔采用箱形变截面拱，受力分析表明，桥塔下半部拱肋承受压力，可充分发挥混凝土的抗压特性。同时，作为拉索锚固段，为防止锚固力作用下的开裂，可采用体内有粘结的预应力钢丝束或体外无粘结的预应力钢筋混凝土结构。将预应力作为外力来平衡拉索产生的内力。上半部拱肋承受拉力，采用全预应力钢筋混凝土以增强抗拉能力，减少纵向裂缝出现的可能性。

（4）钢管混凝土斜撑。在主塔两侧分别架设两根钢管混凝土斜撑，作为偏心受压杆件，承受水平推力。其端部与翼形主塔相连接，构成异形人字拱，增强了主塔的抗压能力与桥的整体刚度，同时对主塔起支撑作用，使其力学性能得到明显改善。

（5）斜拉索。斜拉索由12对φ5mm高强钢丝平行钢丝束组成。拉索在梁上的标准索距为8.0m。拉索两端安装抗疲劳性能良好的特殊冷铸锚具，方便预加应力、卸载和换索。

2 结构静动力分析

（1）静力分析将。桥作一平面模式进行受力分析。全桥共分70个单元，76个节点，12种截面。设计荷载按汽超20计算，挂车按120验算，人群荷载3.5kN/m2。在恒载作用下，最大弯矩发生在约1/4跨径处，最大负弯矩发生在墩顶处的主梁截面；最大剪力发生在塔根处；最大轴力发生在桥塔根部，桥塔上拱肋的拉力亦在控制设计值之内。最大竖向挠度产生在1/3L，处，挠度值为5.613mm，大大小于同等跨径单索面斜拉桥的最大竖向挠度，与异型拱桥相近[根据安阳东风桥（60m＋60m）理论，挠度值为6.4mm]。受力分析表明，本桥结构受力合理。

（2）静动力受力分析表明，本设计方案具有良好的受力特征与结构稳定性。如果桥位地区对风振、抗震性能有特殊要求，可仿斜拉桥采取相应的减振（震）措施。另外，桥塔两端的钢管混凝土柱可满足一定的减震需要。值得一提的是人字钢管混凝土斜撑与翼形桥塔的组合结构在平、立、纵面上均为三角形构图，具有很好的稳定性，这从整体上大大地增强了桥梁的稳定性

3 美学概述

桥梁造型的美学效果应是现代桥梁建设中必须考虑的重要因素之一。鉴于此，我们构思的鹰形人字拱斜拉组合桥方案，除了基于传统的结构的稳定性与经济性考虑之外，同时也从桥梁美学效果方面出发进行方案设计。本方案综合考虑了桥梁的形式美、功能美以及与环境的协调作用，从时代的需求出发，打破了保守的设计思路，将斜拉桥、拱桥等基本桥型进行合理分解与重组并进行适当变形，在实用的前提下塑造出一个新颖、美观、独特的桥梁造型。

（1）形式美。翼形桥塔的拱肋线型改传统对称曲线为偏态的异型曲线，吊杆按一定斜率斜向布置而不是竖向布置，这就使其在比例方面产生了独特的动感效果。吊杆按一定间距和斜率斜向布置，倾斜的构件序列形成了较快的韵律，这种速度感结合拱肋重心向吊杆倾斜方向的偏移，使桥梁具有了强烈的动势效果，使鹰形人字拱斜拉桥在形态上产生了栩栩如生的生命感，体现了"鹰击长空"的壮观景象。

（2）功能美。鹰形人字拱斜拉桥各部分均没有多余浪费之处，它像弯弓紧张以抵抗外力，呈现浑然一体的强有力的功能美。人字形钢管混凝土柱承受水平推力，端庄稳重；双面平行斜拉索采用高强度柔性钢丝束，既经济又美观；翼型桥塔具有一般斜拉桥主塔的力学功能，在安全允许的前提下，最大可能地变异，有着如鹰翼般的动态美。令人明显感觉到它的简洁明快而又不失紧张感，给人以巨大的心理诱惑力。

（3）建筑环境及其协调性。鹰形人字拱斜拉桥建筑高度小、造型独特，适用于平原地区的河中造型和软土地基以及建筑艺术要求较高的城市大、中型桥梁。若将此桥建于开阔地带的W形河床上，则更具建筑优势。

从景观艺术上考虑，本桥适宜于强调法的处理，即让桥梁成为周围环境的主景，又与环境取得视觉上的平衡。也就是说使桥梁在景观中居于中心地位，并在以该桥为主景的前提下，汇集各种物象而创造出新的环境和新的景色。

（4）桥梁附属设施的协调。本桥为体现现代城市的活力，在附属设施的布置上作了精心的安排。照明设施采用主塔门的多棱镜球体与线型排列的兰花型立杆路灯相结合的方式，作为主要安全设施之一的栏杆则采用白色外涂的鹰形楼空雕花形式，在外观装饰上，银灰的主塔与深红的钢管交相辉映。整体造型与细部装饰均带有强烈的暗示感，大胆的色彩与线条体现了热情奔放的现代主旋律，将力的雄浑，水的柔美，有机结合在一起。

4 发展前景及展望

鹰形人字拱与斜拉组合桥是对传统桥型的一次全新的挑战。这种组合变异的桥型将会给未来的城市建设带来新的景观。随着建筑工艺的不断提高，施工经验的逐步积累，此类桥梁的结构将更加合理，造型将更加丰富，附属设施将更趋完善，建筑造价将更加低廉。以长远的目光来看，本文所提出的桥型构思极具发展潜力，是一种逐步走向完善的经济实用合理的新型桥梁。

鹰形人字拱斜拉桥集斜拉桥、异型拱及人字拱桥三家之长，将桥梁力学与桥梁美学有机地融合在一起，作为一种新型桥型供建设和设计的单位参考。它的主要特点在于：①合理的空间构成与材料的充分利用。②力学与美学达到最大限度的和谐。③使桥梁的标志作用与象征意义得到清晰的体现。