某景观桥梁吊索设置方案的比选分析

李晓龙，张晓晓

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082;2.北京电力经济技术研究院，北京市 100055）

0 引言

规划黎安互通立交位于规划文黎大道与现况G98环岛高速公路相交节点处，是实现海南国际旅游岛先行试验区及陵水县城等地方交通系统与高速公路系统进行交通转换的重要设施。

文黎大道作为陵水规划区进出的“门户型”道路，代表着整个规划区对外形象，景观效果非常重要。黎安立交是“门户型”道路上的点睛之笔，整体景观效果要求更高。主桥采用中承式拱桥，效果图如图1所示。

图1 桥梁建筑效果图

主桥采用四拱肋中承式有推力拱桥。大、小拱拱脚为混凝土结构，设前后横梁相连接，拱肋为钢结构，通过钢横撑相连。大拱肋拱脚处跨径为150 m，位于钢主梁外侧，大拱肋桥面以上部分为钢结构，桥面以下部分为混凝土拱脚。小拱肋拱脚处跨径为110 m，小拱肋桥面以上部分为钢结构，桥面以下部分为混凝土拱脚。主梁为漂浮体系，两侧支承于拱脚前横梁上，断面采用等截面扁平钢箱结构，桥面全宽28.7 m，梁高1.843 m（中心高）。

本桥大拱肋布置于主梁外侧，两片拱肋在横桥向内倾9°，拱肋高34.47 m，矢跨比约为1/4.35，拱脚处横桥向间距为33 m，钢混结合段分界位于拱肋平面内拱脚以上17.5 m位置处。

小拱肋布置于主梁中央隔离带处，拱脚为钢筋混凝土现浇结构，宽3 m。形状为倒三角形，中间开孔，拱脚后端设置横梁与大拱肋混凝土拱脚横向连接，作为主引桥分联处支承横梁，横梁尺寸为4 m×2 m。小拱肋拱脚混凝土段从主梁中央隔离带处穿过主梁。桥面以上部分设两片向外倾斜的钢拱肋，倾斜角度为10.8°，在拱顶处通过钢横撑与相邻小拱肋及大拱肋相互连接。小拱肋高32.5 m，矢跨比约为1/3.38，钢混结合段分界线中心点位于拱脚以上18.1 m位置处。

前期的桥梁建筑景观设计要求拱桥设置四排吊索，仍需要根据力学分析对吊索的设置进一步优化，本文就几种吊索的设置方案进行详细的力学分析和比较。桥梁计算模型如图2所示。

1 吊索设置方案

方案一：吊索按建筑景观设计布置。大拱肋与桥面采用吊杆连接，吊杆布置在桥面最外侧索区，全桥共设置21对吊杆，吊杆顺桥向间距5 m。小拱肋与桥面采用吊杆连接，吊杆布置于桥面中央隔离带处，全桥共设置13对吊杆，与大拱肋吊杆对应设置，吊杆顺桥向间距5 m，如图3所示。

图2 桥梁计算模型

图3 方案一吊索布置图（单位：m）

方案二：由于方案一小拱边吊杆较短，在横桥向与大拱吊杆刚度不匹配，会造成较大的内力变化。方案二为方案一的优化方案，取消了小拱的一部分吊索，仅保留5排索，如图4所示。

图4 方案二吊索布置图（单位：m）

方案三：为使桥梁受力进一步明确，方案三取消了小拱的所有吊索，为保留景观效果，小拱吊索换成装饰索，如图5所示。

图5 方案三吊索布置图（单位：m）

2 方案对比

2.1 竖向位移

在自重+车辆+降温+风的作用下，桥梁的竖向位移最大。各方案钢结构关键位置最大竖向位移见表1。方案一各处位移较其他方案稍小。方案二钢主拱和钢小拱以及主梁的跨中位移较方案一稍大，是由于去掉两边的吊索后，原来边吊索承担的力往跨中方向分配，导致跨中位移增大；方案二钢拱脚有向上的位移是由于吊杆距离钢拱脚较远导致小拱局部产生微小的外鼓现象。方案三钢主拱跨中位移相比其他方案最大，是由于仅保留主拱吊索后，主拱直接承受主梁的重力作用，小拱间接承重，没能充分发挥作用，故导致主拱位移较大；另外与其他方案不同的是方案三主梁比主梁横向联系位移小，这是由于小拱去掉吊索后，在横桥向钢主梁仅有两个支点，所以越往跨中位移越大。

表1 各方案关键位置最大竖向位移表

各方案竖向位移差不大，说明吊索的布置对桥梁竖向位移影响不大。

2.2 拱的应力

在自重+车辆+降温+风的作用下，钢拱肋和主梁的应力最大。各方案钢拱关键位置最大应力见表2。方案一应力除钢拱脚应力较其他方案大外，其他位置应力均比其他方案小，这是吊索设置较多且均匀的结果；其他方案钢拱脚应力小是减少吊索的结果。方案二最大应力出现在小拱跨中，是由于小拱边吊索取消了之后，原来边吊索承受的力往跨中分配导致跨中应力增加。方案三最大应力发生在横撑位置，钢主拱与小拱在竖向有高差，钢主拱通过横撑传递到小拱一部分荷载，由于小拱上没有吊索，小拱承受主拱传递过来的荷载较大且集中，因此在横撑与小拱连接处产生较大的应力。

各方案应力略有差别，方案一应力除钢拱脚外应力较小，吊索的布置方式对拱肋和横撑应力有一定影响。

表2 各方案关键拱肋最大应力表

2.3 主梁应力

在自重+车辆+降温+风的作用下，钢拱肋和主梁的应力最大，见表3。方案一主梁应力最大，是由于空间索的不规则布置导致，相应的横梁受力也较不均匀。方案三的主梁和横梁受力较为明确均匀。

表3 各方案主梁应力表

由于主梁刚度较大，吊杆布置方式对主梁应力影响不大。

2.4 吊杆应力

方案一的三种工况下索力的对比见表4。在升温组合下主拱和小拱的边吊杆内力最小；在降温组合下主拱和小拱的边吊杆内力最大。这两个组合除温度差异外，横向风向也是相反的。方案一的小拱边吊杆和次边吊杆在温度影响下和风向变化共同作用下内力变化较大，分别为1 490 kN和842 kN。主拱边吊杆在温度和风向影响下最大变化为991 kN。

方案二的三种工况下索力的对比见表5。在升温组合下主拱和小拱的边吊杆内力最小；在降温组合下主拱和小拱的边吊杆内力最大。这两个组合除温度差异外，横向风向也是相反的。小拱的边吊杆在温度和风向变化下的内力差为686 kN，边吊杆效应仍较明显。主拱的边吊杆在温度和风向变化下的内力差为1 149 kN，较方案一有所增加，这是由于方案二去掉了方案一的边吊杆，主拱边吊杆独自承担温度和风向变化。

表4 方案一三种工况下吊索内力表

表5 方案二三种工况下吊索内力表

方案三的三种工况下索力的对比见表6。在升温组合下主拱的边吊杆内力最小；在降温组合下主拱的边吊杆内力最大。这两个组合除温度差异外，横向风向也是相反的。主拱的边吊杆在温度和风向变化下的内力差为1 111 kN，较方案一有所增加，较方案二稍小。

表6 方案三三种工况下吊索内力表

方案三小拱边吊杆由于在横桥向与主拱吊杆刚度不匹配，内力变化过大。方案二的小拱边吊杆内力变化虽比方案一小得多，但主拱吊杆内力变化比方案一大。方案三主拱吊杆内力变化与方案二基本相同。

3 结语

方案一由于小拱边吊杆在横桥向与钢主拱吊杆刚度差别较大，导致在温度和风向变化作用下内力变化过大；由于吊索数目多会导致工期较长，四排索张拉施工难度较高。

方案二相对于方案一由于去掉部分较短吊杆，在温度和风向变化作用下小拱的边吊杆内力变化较方案一边吊杆较小，但比方案一相同位置的吊杆内力变化大得多。吊索数目减少能减少工期，但在横桥向仍有四排索的部位，张拉施工难度也较高。方案二的位移和钢结构应力与方案一相比变化不大。

方案三由于去掉了小拱的全部吊索，受力清晰明确，吊索改为装饰索后仍能满足景观要求。减少吊索数目节省工期，两排索张拉便于施工。方案三的位移和钢结构应力与方案一相比变化不大。

综合以上分析，本桥吊索布置方式对桥梁的位移、钢结构应力不起关键控制作用。吊索布置方式对吊索的内力变化及施工工期和施工难易度影响较大。方案三最为合理，选择方案三作为最终方案。

[1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]上海市政工程设计研究总院.桥梁设计工程师手册[M].北京：人民交通出版社，2007.