珠海白石桥主塔设计关键点

◎ 李伟 中铁大桥勘测设计院集团有限公司

1.工程概况

珠海白石桥是连接珠海前山河两岸的城市桥梁，主桥为结合梁自锚式悬索桥（见图1）。主桥孔跨布置为（30+60+150+60+30）m=330m，桥面宽25.5m。两根主缆均为平面索面，横向中心距28.5m，矢跨比为1/5.5。

悬索桥主塔是景观的主要载体，是悬索桥的主要受力结构，以承压为主。针对如何使主塔承载当地的景观元素，以及受压为主的主塔其稳定性是否满足要求，如何使主塔塔顶与主缆的连接清晰便捷，本桥主塔设计创造性地提出了新的解决方案。

2.景观设计

通过对周边的自然景观、人文景观进行详细的调查筛选，遴选了“珠海渔女”、“拱北海关”、“大三巴牌坊”等作为重点研究对象。其中的“大三巴牌坊”历史悠久，是澳门八景之一。牌坊建筑是糅合欧洲文艺复兴时期建筑风格与东方建筑风格而成，体现出东西艺术的交融，雕刻精细，巍峨壮观。因此最终确定借鉴特色显著的“大三巴牌坊”进行景观方案创作。从牌坊中提取尖顶、拱门、束柱等欧洲哥特式建筑风格的元素进行抽象、加工（见图1），构思主塔造型设计。

3.稳定问题解决办法

3.1 常用分析方法

由于悬索桥主缆是通过主塔提供支撑，主塔必须承受主缆传下来的强大轴向压力，因此主塔的稳定是一个比较突出的问题。该项目采用接近主塔实际情况，直观明了、概念清晰的简化力学分析方法，无论是对有限元分析结果的检验还是对设计方案进行简单的估算都是十分必要的。

3.2 弹性约束压杆方法

悬索桥主塔塔顶是与主缆联系在一起的，主缆在重力作用下产生的刚度会对塔顶形成弹性约束。因此主塔顺桥向应是下端固定、上端弹性约束的压杆，如图2所示。

弹性约束压杆模型的B端为弹性支座，弹簧的刚度系数为K K=弹，该压杆的失稳状态如图2右侧所示。

表1 白石桥主塔稳定检算情况

塔柱自身刚度可根据结构尺寸算得。塔顶主缆提供的弹性约束刚度，可通过先求出全桥模型塔顶总刚度，再扣除主塔抗推刚度贡献来求得。

3.3 稳定分析结果

如表1所示为白石桥主塔稳定检算情况。

表1中结果表明上述方法与有限元数值法结果吻合较好，略偏安全，说明其合理可行；本桥主塔稳定满足规范稳定系数＞4的要求。在本桥主塔结构设计过程中，利用该方法中清晰直观的力学概念直接指导了设计方向，快速稳定了主塔结构尺寸，提高了效率。除悬索桥主塔外，该方法同样适用于斜拉桥、桥墩等边界条件模糊的受压结构。

4.塔顶鞍座联结处理

悬索桥主塔顶端需要设置鞍罩保护缆索系统的重要传力构件索鞍。本桥索鞍索槽顺桥长3.65m，考虑附属设施布置空间及养护人员的活动空间，鞍罩内净空设计为4.6m。上塔柱标准截面为2.8m见方的实心矩形截面，塔顶结构根据鞍罩构造要求结合景观方案设计为渐变的柱墩，塔顶平面为边长5.4m的矩形。

传统做法，塔顶高度根据主缆位置确定，需满足主缆构造及变形要求避免与主缆冲突，然后在塔顶上直接设置索鞍与鞍罩。按此方法设计的索鞍，鞍体高2519mm，重35.9t。对于这个体量的铸件，工厂铸造、发货运输会有一定困难，在现场安装时，这个重量将决定塔吊等起重设备规格的选用，为此而选用大规格会造成设备的闲置浪费。

鉴于上述情况，本桥主塔设计时，有针对性地进行了优化、创新。先根据上述方法确定安放鞍罩的塔顶高程，然后在其上设置能满足索鞍安装及传力需要的垫石，同样垫石亦需满足主缆构造及变形要求避免与主缆冲突，再在垫石上设置索鞍。按此新方法设计的索鞍，鞍体高1819mm，重17.6t。与传统方法的索鞍相比体量更小，降低了制造、运输、安装的难度。

塔顶鞍座垫石的设置，充分利用空间降低了索鞍体量。鞍体重量降低了51%，直接节约了工程造价；同时降低了索鞍工厂制造、发货运输、现场安装等环节的难度。此方法与传统方法相比优点突出，对于悬索桥塔顶与索鞍连接设计具有普适性。

5.主塔设计要点

主塔为哥特式（英伦风）框架结构。主塔全高62.26m，塔柱横向中心间距为28.5m，横向净距25.56m。塔柱之间设置上、下两道横梁及装饰拱圈，上塔柱外表面四角设有景观装饰圆柱及塔顶鞍罩。下塔柱为实心圆端形截面，上塔柱为实心矩形并在四角设装饰圆弧截面，上、下横梁为箱型截面，装饰拱圈为实心矩形截面。其中，下横梁为预应力混凝土结构，塔顶鞍罩为钢结构，其余部分为普通钢筋混凝土结构。

下塔柱高11.2m，采用实心圆端形截面，横桥向宽4.1～4.5m，顺桥向宽3m；上塔柱高28.9m，横桥向等宽2.8m、顺桥向等宽2.8m，采用实心矩形截面，并在四角设装饰圆弧；塔顶装饰鞍罩高15.8m，为密闭的钢结构；下横梁高3m，宽2.8m，壁厚60cm，采用单箱单室截面；上横梁高3m，宽2.8m，壁厚40cm，采用单箱单室截面，两侧设有装饰槽。

6.结束语

综上所述，珠海白石桥主塔在设计阶段对景观、稳定、构造细节等关键问题的研究，贯彻了结构安全耐久、造型新颖美观、方案经济合理的原则。主塔于2017年1月施工完毕，施工过程中经受了台风的考验，充分体现了结构的安全性。2017年7月底，大桥顺利建成通车，全桥动、静载试验及通车情况均表明，主塔状况良好。大桥高颜值、英伦风的造型，深受珠海广大市民的喜爱。主塔作为自锚式悬索桥的主要构件，对其景观设计、稳定性、关键部位设计进行深入的分析和研究具有重要意义。