肇庆新区现代城市景观桥及拉索的选型

陈昱鹏，钟 屹，覃巍巍，梁 冰

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545006）

1 桥型方案

桥梁作为物质文明与精神文明的载体，对城市具有显著的地标作用。城市桥梁的美是环境美的一部分，以桥梁和桥位周边环境为“景观主体”或“景观载体”而创造的景观（广义上的），通过桥梁景观CI（corporate identity）整体表现体系（尤其是视觉识别系统和理念识别系统），传达桥梁美、桥文化、桥精神，使观者在桥及桥域的“景”与“观”的互动过程中，对桥及桥所处区域的人文、自然、社会环境等产生一致的认知感和价值感，达到人、桥、环境的和谐统一[1]。著名桥梁专家茅以升说：桥梁是“形成中国文化史上的里程碑”的特殊建筑，这说明桥梁包含了物质和精神两大功能[2]，使桥梁景观往往成为城市文化的聚焦及城市形象的窗口。

不同的桥型有其自身的美学特点和价值，给人不同的美学感受。如何认识和把握这种美，是桥型设计的基础[3]。下面对国内几种主要桥型特点简要说明。

预应力混凝土连续梁桥，上部结构由连续跨过3个以上支座的梁作为主要承重结构，造型朴实，投资造价便宜。

拱桥，是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁。拱桥是向上凸起的曲面，其最大主应力沿拱桥曲面作用，沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。拱桥是我国传统特色的一种桥型，造型优美，整体造价适中。

斜拉桥,是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。拉索按斜向直线布置，以简单的直线形状构成强劲、挺拔的动势，形态和造型的多种多样是斜拉桥显著的特征[3]。斜拉桥既是人们所看到的一种由构件组成的力学结构，同时又是具有信号作用和多种象征含义的一种标记[4]。斜拉桥整体造价适中。

悬索桥，是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。悬索桥横越长空，规模壮观，轻柔空透，美学效应丰富，高扬的索塔，充满张力的缆索，使桥梁洋溢着大气、轻灵的美[3]。悬索桥虽然宏伟，但是造价最贵。

在连续梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥4种主要桥梁中，悬索桥其主要适合用于大跨度型的桥梁结构，造价很高，如城市内无跨江跨海大跨度需求，从经济上考虑一般不建议采用。因此本项目从最经济的连续梁桥、拱桥和斜拉桥中考虑。

肇庆是国家历史文化名城，文化底蕴深厚，岭南气息浓郁，乃岭南文化的发祥地之一。同时，肇庆也是中国优秀旅游城市、国家园林城市、国家卫生城市、国家环境保护模范城市。新区环路跨长利涌大桥位于肇庆新区的门户位置，并处于新区核心区，桥梁景观要求较高[5]。设计结合拱桥和斜拉索的造型特点，推荐方案设计为拱形桥塔不等跨独塔斜拉桥，方案二为预应力混凝土连续梁桥。

1.1 推荐方案—独塔斜拉桥[5]

大桥作为新区的重要门户地标构筑，以门拱的形态为灵感进行设计。整体造型现代、简洁、大气，与自然生态的河道景观形成交相辉映、相互衬托关系。并且，主跨的桥腹与桥塔设计成一体化的造型，以水平方向向中间延伸，并向天际展开，象征着肇庆核心区的承古烁今，继承与发展。新区门拱的设计不但彰显了肇庆地方经济飞速发展的势头，更加展现出了肇庆人民对家乡的强烈自豪感。

方案结构设计为密索体系双索面独塔斜拉桥，桥梁跨径布置为100 m+60 m=160 m。根据道路横断面布置，该桥为单幅布置，标准段桥面全宽44 m，主桥面积7 040 m2（见图1）。

图1 双索面独塔斜拉桥效果图

1.2 比较方案——预应力混凝土连续梁桥[5]

预应力混凝土连续梁桥以其简洁的线形、明确的受力模式、成熟的施工工艺，以及较低的经济指标成为工程界广泛应用的桥型之一。本次设计对常规预应力混凝土连续梁桥进行景观优化设计，提出整体造型优美，局部细节有特点的桥型方案。该方案结构设计为大跨度变截面预应力混凝土连续梁结构，桥跨布置为 48 m+64 m+48 m=160 m。根据道路横断面布置，该桥分为左右两幅布置，桥面全宽41 m，主桥面积6 560 m2（见图2）。

图2 预应力混凝土连续梁桥效果图

1.3 桥型方案造价

桥梁建设不能只关注设计方案的造型特点，还需考虑经济性，因此需从景观、河道影响、后期维护、通车运营受力等多维度考虑。斜拉桥同预应力混凝土连续梁桥方案对比见表1。

表1 方案比较表[5]

相对于连续梁桥而言，该项目独塔斜拉桥方案虽然其造价比较高，但其受力效果好，对河道影响很小，不影响通航，桥梁整体造型好。拱形的桥塔与新区环路位于肇庆新区门户位置，桥梁整体景观效果与湿地公园的园区设计主题相协调，能够成为园区的核心建筑物[5]，故在能承受的经济范围内，推荐采用独塔斜拉桥方案。

2 斜拉索方案选择

作为斜拉桥的主要承载构件，斜拉索一直是斜拉桥修建者关注的焦点之一。目前斜拉桥拉索最常用索体结构采用钢丝拉索和钢绞线拉索两种。两种结构的拉索从防腐性能方面进行比较后进行选择。

2.1 钢丝拉索

钢丝拉索由直径为7 mm的镀锌钢丝，在纵向以4°的螺旋角扭绞而成，钢丝外缠包高强纤维带，然后外面热挤HDPE，在工厂预制成成品索。其结构示意见图3。

2.2 钢绞线拉索

钢绞线拉索自由段由7丝钢绞线组合而成，外包HDPE护套管。单根钢绞线镀锌或喷涂环氧后外包PE护套，进行单根独立防腐。其结构示意见图4。

图3 钢丝拉索横截面图

图4 平行钢绞线索的自由段和独立防腐钢绞线的详细构造图

2.3 防腐性能对比

（1）钢绞线拉索防腐层为4层（镀锌层或环氧层+防腐油脂或石蜡+单根绞线HDPE护套+整束钢绞线无黏结筋HDPE外护套），平行钢丝拉索防腐层只有2层（镀锌层或环氧层+双层HDPE外护套）。根据国际后张协会FIB和CIP要求，至少3层防腐层（镀锌层或环氧层+防腐油脂或石蜡+HDPE护套）方能保证百年寿命。

（2）钢丝拉索HDPE外护套易开裂。平行钢丝拉索索体HDPE外护套附着于索体上而参与了拉索受力变形，索体HDPE外护套始终处于有应力状态下工作,初始应力达到3～5 MPa，绝大多数工况还存在交变拉应力，索体HDPE普遍提前产生应力作用破坏而开裂。钢绞线拉索HDPE外护套与无黏结绞线之间是中空的，HDPE外护套不参与结构受力，HDPE外护套拉应力很低，几乎可以忽略不计，HDPE外护套不会产生应力开裂，寿命大大增强。在使用寿命上，平行钢丝拉索预计为30 a，但不少斜拉桥10 a不到已换索，病害多；钢绞线斜拉素预计寿命为50 a，到目前为止，出现病害造成换索暂无先例。从以上对比可以看出，钢绞线拉索具有较大的优势[4]。

（3）任何索体在实际工程或使用中，尽管采取多种措施，索体HDPE外护套还是不可避免会存在破损、开裂现象（人为或自然老化），平行钢丝斜拉索索体HDPE外护套一旦破损进水，索体中钢丝总会受到腐蚀。一处破损，全部钢丝都会受到锈蚀感染的疽蚀效应，迅速降低整根拉索的安全使用性能，导致提前换索。钢绞线斜拉索的索体是单根无粘结防护处理，即使索体HDPE外护套损坏，但HDPE外护套内的钢绞线无黏结筋仍能有效地保护钢绞线，甚至某些无粘结筋钢绞线受损的情况下，由于是单根绞线无黏结独立防腐，也不会影响同束中的其他无黏结钢绞线，故不影响钢绞线斜拉索的安全性能。

（4）由于钢丝与钢丝之间存在缝隙，平行钢丝斜拉索由于毛细作用容易导致钢丝受到腐蚀，尤其是在桥面积水、锚固端防水不严的情况下，平行钢丝斜拉索内极易因毛细现象进水，索体防护性能差，耐久性不高，导致提前换索。钢绞线拉索由于索体钢绞线是无黏结防护，无黏结筋内的防腐油脂充满了钢绞线各根钢丝间的间隙，索体将不会产生毛细现象，大大延长了索体寿命。

（5）平行钢丝拉索HDPE外护套破损修复困难。平行钢丝拉索外护套一旦破损，很难修补。修补一般是焊接修补或缠包修复。焊接修复时间一长，焊接处由于应力集中将重新开裂；缠包修复时间一长，也将失效，镀锌钢丝索体安全性能严重降低，导致提前换索。钢绞线拉索HDPE外护套破损，很容易更换，只要将HDPE外护套去除，另外安装哈弗外护套（即“half sheel”，意为分瓣式套管，两瓣可扣紧式），内部无黏结钢绞线索体不受任何影响。

（6）后期维护。在传统的斜拉桥设计、施工、使用过程中，尽管设计、施工、使用者对斜拉桥的关键部位，如斜拉索，采取了各种防腐、减隔振措施，但由于方法、工艺、材料、构造细节等不合理，使得斜拉索腐蚀退化和振动疲劳衰减已经成为制约斜拉桥使用寿命的关键因素。如著名的Maracaibo桥及K0hlbrandEstuary桥：前者在使用16 a时换索，耗资5 000万美元，换索工期达2 a；后者在运营3 a就更换全部拉索，耗资600万美元，为原造价的4倍。国内的广州海印大桥为中孔175 m的3跨双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，1988年12月建成通车，拉索由258根ø5mm镀锌钢丝组成，PE套管防护，其间压注了水泥浆，套管外再缠包环氧树脂，采用玻璃钢外壳层，由于防护出现问题，1995年5月出现拉索断落和松驰，之后，对186根拉索全部更换，换索耗资2 000万元，工期半年[6]。从这些数据可以看出，采用不同的拉索体系，必然带来不同的养护维修费用，从而使生命周期造价有较大的不同。根据平行钢丝拉索及钢绞线拉索的预计设计生命周期，以全桥100 a的设计周期，平行钢丝拉索体系需换索2～3次，而钢绞线拉索仅需一次，采用钢绞线拉索可大大降低斜拉桥的生命周期造价[7]。

根据以上比较，钢绞线拉索整体比钢丝拉索性能更优异，故在斜拉桥的设计中应根据实际情况，尽量选择钢绞线拉索体系。该项目最终设计方案采用钢绞线拉索。

3 主桥结构计算[5]

3.1 计算模型

采用MIDAS桥梁结构空间分析软件对全桥结构进行数值仿真分析，主塔采用空间梁单元进行模拟计算，主梁采用梁格法等效为梁单元进行模拟计算，拉索采用桁架单元进行模拟分析。边界条件为下部结构采用桩-土弹簧等效模拟，在主梁的两端按简支梁支撑型式进行模拟分析（见图5）。

图5 主桥计算模型图

3.2 计算荷载

3.2.1 材料

混凝土桥塔、混凝土主梁采用C50混凝土。

钢梁（包括钢桥塔、钢主梁、次纵梁、拉索横梁和次横梁）采用Q345钢材，拉索采用标准强度为1 860 MPa的预应力钢绞线拉索。

下部结构承台采用C40混凝土，桩基采用C30混凝土。

3.2.2 计算荷载

（1）自重

混凝土容重取26kN/m3，钢材容重取78.5 kN/m3。

（2）二期恒载

桥面铺装：0.1×24+0.1×26=5 kN/m2。

中央分隔带护栏及机动车道与非机动车道之间防撞护栏：5 kN/m。

人行道内侧护栏：2 kN/m；人行道外侧栏杆：3.5 kN/m2。

过桥水管：18.8 kN/m；电缆及支架：11.2 kN/m。

（3）温度

结构整体升温20℃，整体降温25℃，考虑索、梁温差±10℃，考虑混凝土主塔日照温差±5℃，混凝土主梁日照升温5℃，降温5℃。

（4）支座沉降

考虑下部结构两侧边墩及中墩沉降1 cm。

（5）活载

汽车活荷载按城A车道荷载，双向8车道，计算得偏载系数1.1，按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）计车道折减系数和冲击系数，人群荷载按2.7 kN/m2计入。

（6）收缩徐变

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）考虑。

（7）风荷载

按广州地区百年重现期风速31.3 m/s，C类地貌计算。

图6 成桥索力分布图（单位：kN）

3.3 合理成桥状态

在成桥状态下，主跨拉索索力为3397～4409kN，边跨索力为3 348～3 788 kN，拉索采用强度为1 860 MPa的钢绞线拉索，规格250-43和250-55，公称破断索力分别为11 197 kN和14 322 kN。考虑活荷载及其他可变荷载作用，在1+1标准组合下最大索力为4 687 kN，拉索最小安全系数满足拉索安全系数2.8，满足规范中拉索最小安全系数大于2.5的要求。拉索索力值见表2。

根据上述计算结果可以看到，拉索在正常使用荷载作用下构件受力均满足规范要求，结构受力状态良好。

4 结语

随着国家加快推进城市化进程，加大城市建设力度，现在越来越多的城市开始建设新开发区，往往把桥梁作为新区的重要门户地标构筑，这样对其景观要求提出了更高的要求。本文通过肇庆新区环路跨长利涌大桥选型介绍，可以看到斜拉索受力好，对通航影响小，具有震撼的视觉效果，可以变换设计出许多特异造型，景观效果好，非常符合现代城市建设要求。特别是钢绞线斜拉索，其又具有耐腐性高的特点，所以在现代化城市建设中桥梁选型可以优先考虑采用钢绞线斜拉索。

表2 斜拉索计算内力汇总kN