装饰性拱形塔斜拉桥设计关键问题探讨

马 超

（河北锐驰交通工程咨询有限公司，河北 石家庄 050021）

0引言

近些年，随着社会的不断发展进步，在满足各种使用功能需求的前提下，人们对桥梁设计美观性的要求日益提高。在此背景下，装饰性桥梁应运而生。常规中小跨径桥梁构造简单、施工便捷、工程投资低廉，但美观性不足。许多地方就出现了以简支梁板桥为基本体系，同时新增装饰性建筑结构形成观赏性较高的景观桥梁[1]，如装饰性拱桥、装饰性斜拉桥、装饰性变截面桥等。这些装饰性结构通常不与简支梁板桥共同受力，这样既可以得到理想中的景观效果，又可以避免整个桥梁的工程造价过高。因此，装饰性桥梁逐渐成为一种新的设计方向。

1 工程背景

1.1 工程概况

某市新建城市主干路，上跨规划河，桥梁全长66m，全宽42m，上部结构采用3×20m预应力混凝土空心板。考虑空心板桥外观简单，不能满足城市发展所需的美观要求，因此对其进行景观设计。

1.2 设计思路

装饰性结构应满足人们的审美需求，同时具有新时代的寓意。本项目选用装饰性拱形塔斜拉桥。侧面上合理布置拉索，线性优美，给人以纤细轻巧的美感；横断面上拱形门架作为桥塔，犹如一道迎接四方宾客的大门，蕴含着当地人民热情好客、努力向上的风貌。

2 总体设计

2.1 总体设计

桥梁横断面宽42m，布置情况为：3m人行道+4.9m非机动车道+2.2m分隔带+21.8m机动车道+2.2m分隔带+4.9m非机动车道+3m人行道。桥梁采用3×20m预应力混凝土空心板，下部结构采用桩柱式桥墩，柱式台。主桥立面图和断面图详见图1、图2。

图1 主桥立面图（单位：cm）

图2 主桥断面图（单位：cm）

装饰拱主要由拱圈、拉索、地梁、承台、桩基础组成。全桥设置一个拱圈，拱圈倾斜角度为75°，计算跨径24m，计算矢高25m，拱脚锚固于承台。拱圈单侧设置两排拉索，每排布设8根拉索。拉索一端与拱圈连接，一端与地梁连接。拉索的拉力使得地梁与相邻主桥空心板之间产生相对滑动的趋势，对铰缝产生不利影响。故地梁与主桥空心板之间留有缝隙，填塞苯板。装饰拱立面图和断面图详见图3、图4。

图3 装饰拱立面图（单位：cm）

图4 装饰拱断面图（单位：cm）

2.2 设计重点

根据《城市道路工程设计规范》[2]规定，机动车道最小净高为4.5m，任何物体不得侵入道路限界内，故应合理布设拉索位置。

拉索拉力的大小是本桥设计中的关键因素。装饰性斜拉拱桥要保证视觉上的美观，应将拉索拉直，因此需要一定的张拉力。如果拉索的张拉力过大，会导致拱圈受力不合理，为后期运营阶段埋下安全隐患。如果拉索的张拉力过小，拉索长度较大，会使得斜拉索下挠过大，景观效果达不到理想目标。而且拉索在活荷载作用下，长期处于拉力变化状态，易产生疲劳问题，减少使用寿命，增加养护运营成本。

地梁截面尺寸主要根据依靠自身重力抵消拉索竖向分力来确定，同时满足在各种荷载组合下相关规范要求。

拱圈外形设计既要美观，还要满足结构受力要求，并兼顾施工、造价等因素。

3 拉索拉力确定

本项目拉索通过上下耳板与拱圈、地梁连接，桥面处张拉控制拉力。拉索拉力的确定不能影响到拱圈和地梁的结构安全，还要防止拉索下挠影响景观性，故拉索拉力不能过大，也不宜过小。

拉索在两端张拉力及自重作用下，其线形呈悬链线状，并且基于以下几项假定条件[1]：

（1）拉索为柔性结构，只承受张拉力作用而不考虑其受压作用，并且不考虑其弯曲刚度。

（2）拉索为线性材料，其应力应变曲线符合胡克定律。

（3）拉索的自重及风荷载沿拉索长度方向均匀分布。

（4）不考虑拉索横截面受力变形后的变化。

根据这些假定，孙鹏[1]、王妍[3]提出了有关拉索在张拉力及自重荷载作用下的悬链线方程：

悬链线方程简图见图5。

图5 悬链线方程简图

由上式可以推导出，在拉索拉力一定的情况下，拉索自重越小，索体下挠值越小；在拉索自重一定的情况下，拉索拉力越大，索体下挠值越小。索体下挠值越小，其自身线形就越趋近于直线，美观性就越好。但拉索拉力过大对装饰拱圈结构会产生不利影响，因此，在拉索索体截面和规格确定后，再通过确定合理的下挠值来推算所需拉索张拉力。笔者通过参考其他项目设计的类似装饰性斜拉桥，拉索下挠最大值均控制在L/400～L/300之间，肉眼通常无法观测到拉索下挠，景观效果较好。

拉索规格选取及张拉力确定，除考虑下挠值外，还应考虑拉索风雨振的影响。减少风雨振影响的方法较多，采用以下两种方式较多：（1）在斜拉索的PE套管设置螺旋线凸起；（2）若拉索大于80m，在前者的基础上，拉索设置阻尼器。

本项目参考其他装饰性斜拉桥，同时咨询拉索厂家以往经验，最终拉索索体采用1860MPa级3×φ15.2mm，索体用PE护套环氧喷涂钢绞线缠包后热挤HDPE，索体外径φ50mm，索体单位重量为4.73kg/m。设计采用拉索中心处最大下挠值≤L/300来控制张拉力，同时考虑部分风荷载影响。下面将本桥8根拉索根据下挠值确定的张拉力列于表1中。

表1 拉索下挠值

4 装饰拱体系结构计算

本项目拱圈高度为承台顶以上25m。其中，钢塔柱19m，钢混结合段6m，倾斜角度为75°。拱圈为矩形截面，顺桥向1.7m，横桥向1.2m，壁厚22mm，钢混结合段在钢箱内浇筑C50微膨胀混凝土。地梁梁高1.2m，宽1.5m，顶、底板厚22cm，腹板厚22cm，在支座处设置50cm实心段。

本项目结构采用结构计算软件MidasCivil进行分析，将结构离散成163个节点、170个单元。其有限元模型如图6所示。

图6 Midas计算模型

考虑结构自重、地梁铺装荷载、整体升降温、截面温度梯度、不均匀沉降、风荷载、张拉索力等，根据《公路桥涵设计通用规范》[4]、《公路斜拉桥设计细则》[7]相关规定进行荷载组合。

4.1 拱圈验算

4.1.1 短暂状况构件应力验算（施工阶段）

由图7、图8可知，各施工阶段最大拉应力为9.9MPa，最大压应力为-13.7MPa，满足规范[6]验算要求。

图7 短暂状况桥塔最大压应力验算结果图形

图8 短暂状况桥塔最大拉应力验算结果图形

4.1.2 荷载组合作用下应力验算

由图9、图10可知，荷载组合作用下，最大拉应力为69.0MPa，最大压应力为79.7MPa。Q345钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值：当板厚大于16mm时为270MPa，满足规范[6]验算要求。

图9 基本组合下桥塔最大压应力验算结果图形

图10 基本组合下桥塔最大拉应力验算结果图形

4.1.3 其他验算

分别对拱圈稳定性、拉索耳板、拱圈横隔板、埋入式拱脚等进行验算，均满足规范要求。

4.2 地梁验算

地梁为钢筋混凝土结构，根据规范要求分别对结构的抗弯承载力、抗剪承载力及裂缝进行验算，均满足规范[5]要求。

5 结语

本文首先通过景观要求来确定拉索拉力，进而拟定拱圈和地梁的结构尺寸，最后结构通过计算作相应调整以满足规范要求。本文对装饰性拱形塔斜拉桥的几个关键问题进行了简单探讨，可为今后同类型工程设计提供参考。