基于地方文化的独塔单索面斜拉桥设计研究

2018-08-29

中国建设信息化 2018年9期

1.前言

1.1 国内斜拉桥建设现状

近些年国内斜拉桥发展速度很快，型式多，桥跨跨径不一，建桥总量已经居世界前列，据统计，国内共建设斜拉桥超过200座，达到全世界斜拉桥总数的1/3。

我国的斜拉桥分布较广，型式多样，跨径有50m以下的景观斜拉桥，同时已建设的大跨斜拉桥的跨径已突破1000米。斜拉桥具有跨越能力大的特点，目前较普遍的看法为适合跨径200～800m的桥梁。但随着一些城市景观桥的需要，也陆续出现一些100～200米跨径的桥梁，这些桥梁以独塔斜拉桥居多，主要从主塔及斜拉索索面造型来突出景观效果，彰显当地文化特色。

1.2 设计研究背景

上杭县城区已建桥梁数量不多，类型单一，除一座石拱桥外，其余均为梁桥。潭头位于汀江的城区中心位置，正对紫金山公园。在对该位置设置桥梁的设计研究中，结合各方需求，得出在桥型选择上应尽量宏伟大气、新颖独到，且景观效果显著，既能融入汀江桥梁建筑群，又具有鲜明的标志性，成为汀江上一代表性桥梁。

桥梁所在处水面开阔，宽约170米，两岸风光秀丽。根据要求，需预留五级通航航道，且该区域为皮划艇训练基地，要求场地宽阔，同时兼顾景观要求，故设计选定主跨跨径为138米的独塔斜拉桥。上杭为客家人聚集地，结合该地建筑设计习惯，在建筑外形上融入地方文化特色，故桥梁拟在桥塔景观上融入客家文化元素。

1.3 设计概况

上杭城区潭头大桥跨越汀江，桥梁总长323m，主桥采用独塔四跨单索面钢-混凝土混合梁斜拉桥，跨径布置为40+45+138+30=253m，边跨及主跨各设一个辅助墩；索塔下部及塔顶分别采用水滴和春笋造型，桥面总宽32m，布置双向四车道、非机动车道和人行道。主桥布置如图1-1。

图1-1 桥梁布置图

2.桥梁造型及景观设计研究

2.1 塔型选择

纵桥向主塔结构型式有独柱型、倒Y型和A字型等。单柱型主塔构造简单，外形轻盈美观，施工方便，是常用的塔型。A字型和倒Y型主塔刚度大，具有良好的抗震能力，施工复杂，此类主塔应用较少。本斜拉桥主跨跨径为138米，属于斜拉桥中跨径较小的桥梁，桥梁宽度32米，主塔纵横向均采用独柱型较合理。在比较直塔和斜塔造型时，直塔造型更能体现客家文化正直向上的精髓，因此采用直塔造型。在主塔中融入客家文化元素，形成下水滴、上春笋的独特造型。

图2-1 桥梁日景及夜景效果图

独柱主塔上窄下宽，下宽部分镂空为水滴型，喻为“水纳百川，汇聚八方”。客家文化在客家人南迁的过程中与当地文化不断融合，水滴造型正是对两种文化汇聚贯通、不断发展的表达。塔顶取型雨后春笋，喻为“年年好，节节高”，体现了上杭客家人“勤奋向上、团结进取”的精神，凸显出桥型的设计主题：“逐（竹）梦”。

2.2 索面设计

独柱式主塔设置在桥梁中间4米索区范围，对应斜拉索仅能设置单索面。斜拉索面根据景观要求有扭索面、编花索面及常规的平索面。扭索面要求塔身较高，结构受力复杂，拉索索力大，结构效率较低，而编花索面一样存在扭索面的缺点，同时还存在独塔单索面难以布置的问题。通过分析，本桥采用较适合的平索面布置形式。平索面斜拉索一般有三种形状：放射形、竖琴形、扇形，扇形布置的斜拉索兼具放射形和竖琴形两种布置方式的优点，在设计中获得广泛应用。本桥索面采用扇形布置，与主塔相协调。桥梁日景及夜景效果如图2-1 。

2.3 夜景设计

夜景设计主要是突出亮化主塔，塔身为一级亮化结构，塔镂空与主梁形成日字形，喻为旭日东升；塔身投射柔和紫光，喻为紫气东来；主梁为二级亮化结构，投射波浪光，喻为翔云环绕；弱化斜拉索灯光，拉索灯光仅作为调和塔梁的辅助灯光。桥型及夜景构思如图2-2。

综上，通过对桥梁造型及夜景的设计研究，利用主塔造型、索面选择及夜景灯光投射，在当地的桥梁群中，塑造一座具有特殊文化底蕴的现代化桥梁。

图2-2 桥型及夜景构思图

3.桥梁重要节点的设计研究

3.1 主体结构的设计计算

主桥结构采用塔、梁、墩固结结构形式，其它墩顶支座按横向固定、纵向活动设置。桥梁采用有限元方法进行空间结构分析，建立包括主梁、索塔、斜拉索和基础在内的全桥有限元模型。其中主梁、索塔采用空间梁单元，斜拉索采用只受拉桁架索单元。计算模型如下图3-1所示。

主梁采用脊骨梁模型，通过横向刚臂与拉索节点连接。边墩位置主梁梁端约束竖向自由度，支承位置位于主梁实际支座处，通过钢臂引出后支承，并约束其中一个支承点的横桥向平动自由度。塔梁固结位置主梁与桥塔节点采用刚性连接实现完全耦合，主塔底部接承台和桩基，桩基边界采用土弹簧模拟。

经过详细计算，砼主梁、钢主梁、斜拉索、主塔及下部结构均满足规范要求。

图3-1 主桥三维及有限元模型

3.2 主桥边跨是否设置辅助墩的分析研究

斜拉桥采用混合梁体系，即主跨采用钢梁，辅助跨采用砼梁的型式。该型式梁主要利用钢梁的轻巧特性和砼梁截面较重的特点，用在辅助跨的砼梁可以很好地平衡主跨的重量，其造价也比全钢梁或者钢混叠合梁节省。针对主梁采用混合梁后，边跨是否再设置辅助墩，本次从结构受力上进行比较研究。

对于是否设置辅助墩，主要根据桥梁在活载作用下结构的受力状态来分析。现在活载作用下，分别计算有、无设辅助墩的两种工况，分析对塔梁及斜拉索的影响，计算结果如下图3-2和3-3。

通过对计算结果的分析得出，设置辅助墩后主梁及主塔的位移及弯矩均较小。可知设置辅助墩有利于增强结构体系的刚度，改善边跨内力和减少挠度，减少主塔的横向位移及主塔墩底弯矩，同时减少拉索应力变幅。根据斜拉桥“塔直梁平”的设计原则，设置辅助墩的方案对结构受力较有利，因此本次在边跨设置一个辅助墩。

图3-2 无设辅助墩结构及位移图

图3-3 有设辅助墩结构及位移图

3.3 塔柱水滴分肢的分析研究

为了使主塔形成水滴造型，塔柱在距离梁顶19.1m处，纵向箱形截面分肢为双薄壁结构（单薄壁厚3.25m），双薄壁净距由顶部0.899m渐变到塔底处的2.674m。通常在桥梁整体计算中容易对该部分单元简化为单肢计算，忽略分肢处的结构验算。本次分别对上塔柱和下塔柱（两肢分不同单元）进行计算分析（对主塔结构图中的A～F截面进行计算）：上塔柱按柱底（桥面处）固结，尾索锚点为自由端，按2倍高度即114m取计算长度。下塔柱顺向两肢分别取内力单独验算截面，计算发现主跨侧分肢受力大，边跨侧分肢受力小。下塔柱则按两端固结进行结构验算，确保桥塔结构安全。主塔结构如图3-4。

3.4 塔顶笋节的分析研究

塔顶笋节设在拉索锚固区以上部分，设置三节，上节比下节单侧缩窄40cm，高度节节增高，模仿新生春笋的尺寸比例，截面与主塔一致，为空心矩形，短边为椭圆弧形。

塔顶笋节不参与受力，主要是与塔柱协调，形成节节高的景观造型。其效果如下图3-5。

图3-4 主塔结构图

图3-5 塔顶笋节效果图

图3-6 钢锚梁结构图

图3-7 钢锚梁计算模型图

3.5 拉索锚固的分析研究

拉索锚固是斜拉桥传力可靠的重要结构，锚固节点要求适应刚度变化大的特点，应能承受局部较大应力，在斜拉桥设计中应特别注重。该桥梁拉索锚固节点分塔上锚固区、砼梁锚固区及钢箱梁锚固区。

在主塔上，斜拉索锚固在前后两侧，通过局部加强配筋，并在塔壁内设环向对拉预应力高强螺杆平衡斜拉索在塔内的水平分力；砼梁锚固区通过设置横隔板，并在横隔板上设预应力平衡斜拉索在梁上的竖向分力；本桥桥面宽达32米，采用单索面比传统的双索面钢箱梁斜拉桥受力大，主梁单根最大索力达6047kN，索梁锚固区位于钢箱中室，由于梁的高度较低，导致可用于索梁锚固区的设计空间较小，因此在钢箱梁拉索锚固区内设置钢锚梁作为传力构造。钢锚梁由各板块组成小长条箱型结构，受锚固张拉空间及梁高限制，局部剪应力较大，经采用实体单元模型计算分析，拟定端承板厚度80mm，锚固区腹板厚度24mm（要求Z向性能），锚梁板厚度30mm，上下布置两块。钢锚梁结构图见图3-6。

对钢锚梁建立模型进行分析，设计中钢箱梁每隔3m设置一道小横梁，因此取3m梁段作为一个标准段进行横向分析，考虑对称性，只建立1/2模型；约束腹板边界竖向位移及约束对称面横桥向位移，模型采用midas FEA板单元，计算模型见图3-7，钢锚梁的正应力及剪应力计算结果见图3-8及图3-9，经验算，其结果满足规范要求。